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近日,在位于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室里,數名研究人員正操作一臺 20 寸行李箱大小的儀器,進(jìn)行量子芯片的調試等操作。而在幾周之前,完成這些操作還需要滿(mǎn)滿(mǎn)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——本源量子測控一體機。
“它小型化、專(zhuān)業(yè)高效,國產(chǎn)化水平較高。”中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室副主任郭國平說(shuō),本源量子測控一體機是國內第一款自主研發(fā)的量子計算機控制系統,可以實(shí)現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(shí)現精準測控,發(fā)揮性能優(yōu)勢
量子測控一體機是一款能夠實(shí)現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(lái)比喻:“其實(shí)量子芯片跟傳統的計算機 CPU 一樣,正常工作的時(shí)候需要一個(gè)控制系統去支持它,就好比我們的電腦主機里有主板、內存、電源等一系列硬件,它們給處理器提供一個(gè)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(gè)環(huán)境定義為量子計算機控制系統,量子測控一體機就是這個(gè)系統,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(zhù)操控量子比特數目的不斷增多,儀器需要相應增加,占地也越大。這類(lèi)似經(jīng)典計算機剛出現時(shí)的場(chǎng)景,1946 年,世界上第一臺經(jīng)典計算機誕生時(shí),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(shuō),研究團隊將諸多儀器進(jìn)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(guān)鍵信號,同時(shí),量子芯片處理完一個(gè)任務(wù)以后,也可以通過(guò)量子計算機控制系統讀取處理結果。
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。
節約成本,能應用于精密測量等更廣泛領(lǐng)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)只能使用傳統商用儀器設備自行搭建量子計算機控制系統。這些商用儀器是非標設備,并不是專(zhuān)業(yè)可操控量子比特,只是經(jīng)過(guò)調控后可以在一定程度上實(shí)現操控量子比特的功能。
“就好像科研人員需要盛水這個(gè)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(gè)功能。”郭國平說(shuō)。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、難以調試等缺點(diǎn)。
“我們相當于為實(shí)現盛水功能打造了一個(gè)儲水罐。”郭國平說(shuō),如果買(mǎi)傳統商業(yè)儀器搭建一套系統,成本超過(guò)千萬(wàn)元,而專(zhuān)門(mén)針對量子芯片設計的量子測控一體機可節約一半成本,大批量生產(chǎn)后,成本還會(huì )進(jìn)一步降低。
此外,量子測控一體機的使用還可以大量節約科研時(shí)間。以往科研人員自行搭建量子計算機控制系統時(shí),由于各個(gè)商用儀器缺乏統一規范,調試這些設備需要花費數月甚至一年多的時(shí)間。量子測控一體機投入使用后,系統調試時(shí)間接近于0,科研人員可以更專(zhuān)注于科研相關(guān)的數據驗證。
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(xué)研究等更廣泛的領(lǐng)域。郭國平說(shuō),目前國內高端儀器儀表依賴(lài)于進(jìn)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(gè)領(lǐng)域,高端儀器依賴(lài)進(jìn)口的局面或將改善。
將隨著(zhù)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(shí),是比不過(guò)馬匹的,但有何意義?它代表著(zhù)一個(gè)發(fā)展的方向。”郭國平說(shuō)。
科研人員預測,當量子計算時(shí)代到來(lái)時(shí),利用 GHz 時(shí)鐘頻率的量子計算機求解一個(gè)億億億變量的線(xiàn)性方程組,將只需要 10 秒鐘。而現在,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(shuō),現在的量子測控一體機只能服務(wù)于 0.01 馬力的量子芯片,當量子芯片升級 1 馬力、10 馬力時(shí),測控一體機要隨之升級迭代,滿(mǎn)足更多位數量子芯片的測控需求。
郭光燦表示,除了量子芯片、控制系統外,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(shù)總監孔偉成說(shuō):“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(chǎng)景。然后再通過(guò)十年到二十年時(shí)間,研制出可解決實(shí)際生活需求的專(zhuān)用量子計算機,最后再通過(guò)數十年的努力,實(shí)現通用量子計算機。”
郭國平說(shuō),在經(jīng)典計算機時(shí)代,一些跨國公司已在操作系統和芯片等方面建立體系,使后來(lái)者追趕困難。而在量子計算機領(lǐng)域,海外跨國公司還沒(méi)有形成絕對優(yōu)勢。“我們希望通過(guò)努力,在量子計算時(shí)代到來(lái)之際搶占先機,成為推動(dòng)全世界科研發(fā)展的創(chuàng )新力量。”郭國平說(shuō)。
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