中科大郭光燦團隊研制出自主知識產(chǎn)權的量子計算機控制系統(tǒng)

硬件“瘦身” 性能提升

近日，在位于中國科學技術大學的中科院量子信息重點實驗室里，數(shù)名研究人員正操作一臺20寸行李箱大小的儀器，進行量子芯片的調(diào)試等操作。而在幾周之前，完成這些操作還需要滿滿一屋子的設備。

這臺行李箱大小的儀器，就是中科大郭光燦院士及其同事郭國平、孔偉成等近期成功研制出的量子計算機控制系統(tǒng)——本源量子測控一體機。

“它小型化、專業(yè)高效，國產(chǎn)化水平較高。”中科院量子信息重點實驗室副主任郭國平說，本源量子測控一體機是國內(nèi)第一款自主研發(fā)的量子計算機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對量子芯片的操控并發(fā)揮其性能優(yōu)勢，它的成功研制是邁向量子計算機重要的一步。

能對大型量子芯片實現(xiàn)精準測控，發(fā)揮性能優(yōu)勢

量子測控一體機是一款能夠?qū)崿F(xiàn)對大型量子芯片精準測控的產(chǎn)品。

郭國平拿經(jīng)典計算機來比喻：“其實量子芯片跟傳統(tǒng)的計算機CPU一樣，正常工作的時候需要一個控制系統(tǒng)去支持它，就好比我們的電腦主機里有主板、內(nèi)存、電源等一系列硬件，它們給處理器提供一個發(fā)揮功能的環(huán)境。量子芯片同樣需要這樣的環(huán)境，我們把這個環(huán)境定義為量子計算機控制系統(tǒng)，量子測控一體機就是這個系統(tǒng)，它是量子計算機除了量子芯片之外的所有硬件部件。”

量子測控一體機未研制成功之前，科研人員想要操控量子比特，要使用諸多儀器，有的儀器體積比柜式空調(diào)還要大，林林總總的儀器在一起，需要一間三四十平方米的房間才能放下。隨著操控量子比特數(shù)目的不斷增多，儀器需要相應增加，占地也越大。這類似經(jīng)典計算機剛出現(xiàn)時的場景，1946年，世界上第一臺經(jīng)典計算機誕生時，占地面積很大。

“量子計算機要想方便地投入使用，必須走小型化之路。”郭國平說，研究團隊將諸多儀器進行集成后變成一臺儀器，即量子測控一體機，主要功能是提供量子芯片運行所需的各種關鍵信號，同時，量子芯片處理完一個任務以后，也可以通過量子計算機控制系統(tǒng)讀取處理結(jié)果。

在當前量子芯片飛速集成發(fā)展的階段，量子計算機控制系統(tǒng)是量子計算機不可或缺的組成部分，能使量子芯片最大程度發(fā)揮性能優(yōu)勢。

節(jié)約成本，能應用于精密測量等更廣泛領域

在本源量子測控一體機研制成功之前，量子計算機研發(fā)只能使用傳統(tǒng)商用儀器設備自行搭建量子計算機控制系統(tǒng)。這些商用儀器是非標設備，并不是專業(yè)可操控量子比特，只是經(jīng)過調(diào)控后可以在一定程度上實現(xiàn)操控量子比特的功能。

“就好像科研人員需要盛水這個功能，以往市面上只有青花罐，青花罐當然可以盛水，但盛水只是青花罐的一個功能。”郭國平說。因此，原有的搭建方式不僅成本高昂、功能冗余，還存在兼容性差、難以調(diào)試等缺點。

“我們相當于為實現(xiàn)盛水功能打造了一個儲水罐。”郭國平說，如果買傳統(tǒng)商業(yè)儀器搭建一套系統(tǒng)，成本超過千萬元，而專門針對量子芯片設計的量子測控一體機可節(jié)約一半成本，大批量生產(chǎn)后，成本還會進一步降低。

此外，量子測控一體機的使用還可以大量節(jié)約科研時間。以往科研人員自行搭建量子計算機控制系統(tǒng)時，由于各個商用儀器缺乏統(tǒng)一規(guī)范，調(diào)試這些設備需要花費數(shù)月甚至一年多的時間。量子測控一體機投入使用后，系統(tǒng)調(diào)試時間接近于0，科研人員可以更專注于科研相關的數(shù)據(jù)驗證。

量子測控一體機其本身還是高端儀器儀表，能夠應用于精密測量、基礎科學研究等更廣泛的領域。郭國平說，目前國內(nèi)高端儀器儀表依賴于進口，量子測控一體機的一些元部件已經(jīng)國產(chǎn)化，在其可應用的多個領域，高端儀器依賴進口的局面或?qū)⒏纳啤?/p>

將隨著量子芯片的發(fā)展迭代，但距離量子計算機面世還很遠

郭光燦院士團隊認為，目前量子計算機發(fā)展的階段，相當于蒸汽機剛剛面世之際。“當蒸汽機只有0.01馬力時，是比不過馬匹的，但有何意義?它代表著一個發(fā)展的方向。”郭國平說。

科研人員預測，當量子計算時代到來時，利用GHz時鐘頻率的量子計算機求解一個億億億變量的線性方程組，將只需要10秒鐘。而現(xiàn)在，即便是用世界上最快的超級計算機也至少需要幾百年。

郭國平說，現(xiàn)在的量子測控一體機只能服務于0.01馬力的量子芯片，當量子芯片升級1馬力、10馬力時，測控一體機要隨之升級迭代，滿足更多位數(shù)量子芯片的測控需求。

郭光燦表示，除了量子芯片、控制系統(tǒng)外，要研制一臺真正有用的量子計算機所需要的量子元素還很多，距離量子計算機的真正面世還很遠。

負責量子測控一體機研發(fā)的技術總監(jiān)孔偉成說：“團隊將盡快研制出‘量子計算機’原型機，并且探索更廣泛的應用場景。然后再通過十年到二十年時間，研制出可解決實際生活需求的專用量子計算機，最后再通過數(shù)十年的努力，實現(xiàn)通用量子計算機。”

郭國平說，在經(jīng)典計算機時代，一些跨國公司已在操作系統(tǒng)和芯片等方面建立體系，使后來者追趕困難。而在量子計算機領域，海外跨國公司還沒有形成絕對優(yōu)勢。“我們希望通過努力，在量子計算時代到來之際搶占先機，成為推動全世界科研發(fā)展的創(chuàng)新力量。”郭國平說。