“中国造”量子计算机首次亮相！持续突破！

电子发烧友网报道（文/李弯弯）日前，位于安徽省合肥市的中国首家量子计算公司本源量子实验室首次向公众开放。在本源量子实验室一楼的展示大厅，可以看到4台近2米高的大型机器。每一台机器都有一个巨大的白色桶状主体连接着多台电子显示屏，机器最耀眼的地方是，无数根金色或银色的电线连接着金色的圆盘。



中国计算机学会(CCF)量子计算专业组副主任、合肥本源量子计算科技有限责任公司总经理张辉博士向媒体介绍，白色桶状主体是一个超低温制冷系统和主动减振系统，为量子计算机的散热及稳定运行提供环境保障。量子计算机的核心——比指甲盖还小的超导量子芯片装在套桶的底部。


量子计算机的核心部件——量子芯片

合肥本源量子计算科技有限责任公司（简称“本源量子”），是国内量子计算龙头企业，2017年成立于合肥市高新区，团队技术起源于中科院量子信息重点实验室。

本源量子聚焦量子计算产业生态建设，打造自主可控工程化量子计算机，围绕量子芯片、量子计算测控一体机、量子操作系统、量子软件、量子计算云平台和量子计算科普教育核心业务，全栈研制开发量子计算，积极推动量子计算产业落地，聚焦生物科技、化学材料、金融分析、轮船制造、大数据等多行业领域，探索量子计算产业应用，争抢量子计算核心专利。

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来，信息处理量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利，也就更能确保运算具备精准性。

据张辉博士介绍，海量数据每天都在爆炸性增长，人工智能行业数据量大概每3个月就会提升一倍。现有的传统计算机能够存储的数据量有限，隔段时间就要删除清理。事实上，这些历史数据具有巨大的潜在价值。为了满足数据的算力需求，经典计算机的集成度一直在提升，晶体管不断缩小。

然而如今晶体管的体积已经很难再继续缩小，这意味着传统计算机已经无法满足算力需求，难以支撑行业对算力的苛求。量子计算机海量数据并行运算的优势，则可以助力人工智能、金融等行业发展，因而受到青睐。

电子发烧友此前报道过，本源量子已经成功交付一台量子计算机给用户使用。该量子计算机的成功交付，意味着我国已经成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。就如上文所言，本源量子聚焦量子计算产业生态建设。据张辉博士透露，在本源量子实验室还有国产首个量子计算机操作软件系统“本源司南”。

据了解，本源量子已经交付的这台24比特超导量子计算机，搭载24比特超导量子芯片，其保真度、相干时间等各项技术指标均达到国际先进水平。从其官网可以看到，本源第一代超导24比特量子处理器夸父KF-C24-100，是基于电路量子电动力学体系构建的24位量子比特芯片。

超导量子芯片是基于对超导约瑟夫森结构进行改造，构造出超导量子比特，并通过耦合结构来实现多个超导量子比特的两两近邻耦合。利用精确设计的脉冲序列，可以实现高保真度的量子逻辑门操作，进而能够设计并演示量子算法。

夸父KF-C24-100具有几大特性：1、操作数大：超导量子比特相干时间长，操作速度快，保真度高，总体能够实现上千次操作；2、工艺成熟：相对其他固态量子芯片体系，超导量子比特受材料缺陷的影响更小，利用成熟的纳米加工技术，可以实现大批量生产；3、可扩展性好：超导量子比特结构简单，调控方便，极易扩展。

图：本源第一代超导24比特量子处理器夸父KF-C24-100

量子芯片（QPU）是量子计算机的核心部件，这与传统计算机的核心部件CPU不同。中科院量子信息重点实验室副主任、本源量子创始人、首席科学家郭国平向媒体介绍，由于量子计算机体系尚处于初级阶段，各国研究者正从已知的多种能产生量子效应的物理体系入手，试图找到打造量子芯片的最好方式。目前量子芯片的物理制备体系有超导体系、半导体体系、离子阱体系、光学体系、中性原子体系、拓扑体系等。


量子计算机路线百花齐放

在多种量子技术发展路线中，超导量子比特较为领先。2019年，谷歌宣布开发出54个量子比特的超导量子芯片，其对一个电路采样一百万次只需200秒，而当时运算能力最强的超级计算机“顶点”需要一万年，率先实现了“量子优越性”。

在该领域，IBM公司去年11月宣布已经制造出一种更强大的量子计算芯片，这款433个超导量子比特的Osprey芯片在IBM纽约年度量子峰会上亮相，其量子比特数是该公司2021年推出的127个量子比特的Eagle芯片的三倍多。

IBM的目标是在未来几年稳步提升量子计算能力，计划在2025年推出一个超过4000个量子比特的系统，该系统将能够比经典计算机更快或更准确地解决一些问题，并为当今最强大的计算机只能作出估计的问题提供精确的解决方案。

离子阱技术路线，由于量子比特相干时间长、量子比特之间的连接性好、逻辑门操作保真度高等特点备受关注，现也已成为通用量子计算机发展中的领先路线之一。但离子阱量子计算机更难扩展，部分原因在于需要单独的激光设备来控制每个离子。

在该领域，IonQ、Quantinuum、Oxford Ionics以及国内的启科量子、华翊量子等企业都在发力。美国初创公司IonQ此前声称，其开发出的方法能将多行离子封装到一个芯片内，量子比特的数量可能多达1024个。为了超越这个目标，IonQ还计划采用模块化方法，连接多个芯片。该公司发言人表示，在实验室实验中，捕获离子的保真度已高达99.99%。

另外，霍尼韦尔的衍生公司Quantinuum去年7月宣布，通过表面阱中的一个结可以实现两种不同类型的离子移动。在同一时间将成对的离子完整地传送到一个结中的能力，对于扩展离子阱系统至关重要。这也是学术界、政府和工业界的离子阱研究人员多年来一直在寻求解决的技术难题。据称，这是首次实现该技术，是离子阱量子计算领域的一个重大突破，是扩展高保真量子比特、大规模量子计算机的关键所在。

日前，国内量子信息科创公司国开启科量子技术（北京）有限公司（以下简称“启科量子”）对外发布了由其“H-Bar”项目团队研发的离子阱量子计算工程机——AbaQu 1.0，定名为“天算1号”。该工程机是国内首台离子阱量子计算工程机。

中山大学物理与天文学院教授、启科量子首席科学家罗乐表示，离子阱技术是构建量子计算机的重要途径，然而目前基于实验室系统的离子阱量子计算机系统集成度低、构造复杂、操作困难。以工程化方式推进离子阱量子计算机的研制，是目前国内外的焦点。

启科量子此次通过模块集成，将离子阱量子计算机的离子阱、工作环境、光学、测控四个分系统进行模块化研制，初步实现了离子阱量子计算机的工程雏形。据罗乐介绍，离子阱量子计算工程机的实现，为下一步通过运行通用算法、标定“量子体积”等性能参数创造了良好条件。目前，启科量子已经把实现标准量子算法的运行作为今年工作的重中之重，希望通过算法演示和工程机工艺的迭代，向潜在用户推广。

除此之外，另一项中性原子技术也驶入快车道，可能很快也会突破1000个量子比特的障碍。
该技术使用聚焦的激光束（光镊）捕获中性原子，并用原子的电子态或原子核的自旋编码量子比特。据哈佛大学的物理学家Giulia Semeghini介绍，这种方法已经逐步发展了十多年，但现在它正在“蓬勃发展”。




还有一些处于起步阶段或者概念阶段的技术，比如硅自旋电子，这种方式是利用被硅等传统半导体内部电场捕获的单个电子的自旋作为量子比特编码信息。去年9月，QuTech团队在《自然》杂志上发表论文称，他们设计并实现了创纪录的6个硅基自旋量子比特处理器，能以较低误差率运行，有助于实现基于硅的可扩展量子计算。比如拓扑量子比特，这种技术比传统量子比特具有更低的错误率，微软公司现在正致力于演示第一个拓扑量子比特。


小结

如今正处在数据爆炸式增长的时代，传统计算机已经难以满足各行业对算力的需求。量子计算机因为具备海量数据并行运算的优势，备受青睐。如今各国都在致力于量子计算机的研制和产业生态的建设。从目前的情况来看，我国在这个领域已经具备领先地位。不过量子计算的研究仍然还处于初期阶段，接下来还需要更多科研工作者、机构、企业投入其中，一起努力，持续取得新成绩。