中科大郭光燦團隊研制出自主知識產權的量子計算機控制系統

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——本源量子測控一體機。

“它小型化、專業高效，國產化水平較高。”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第一款自主研發的量子計算機控制系統，可以實現對量子芯片的操控并發揮其性能優勢，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精準測控，發揮性能優勢

量子測控一體機是一款能夠實現對大型量子芯片精準測控的產品。

郭國平拿經典計算機來比喻：“其實量子芯片跟傳統的計算機CPU一樣，正常工作的時候需要一個控制系統去支持它，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發揮功能的環境。量子芯片同樣需要這樣的環境，我們把這個環境定義為量子計算機控制系統，量子測控一體機就是這個系統，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。這類似經典計算機剛出現時的場景，1946年，世界上第一臺經典計算機誕生時，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讀取處理結果。

在當前量子芯片飛速集成發展的階段，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揮性能優勢。

節約成本，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，并不是專業可操控量子比特，只是經過調控后可以在一定程度上實現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、難以調試等缺點。

“我們相當于為實現盛水功能打造了一個儲水罐。”郭國平說，如果買傳統商業儀器搭建一套系統，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約一半成本，大批量生產后，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約科研時間。以往科研人員自行搭建量子計算機控制系統時，由于各個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間。量子測控一體機投入使用后，系統調試時間接近于0，科研人員可以更專注于科研相關的數據驗證。

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、基礎科學研究等更廣泛的領域。郭國平說，目前國內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國產化，在其可應用的多個領域，高端儀器依賴進口的局面或將改善。

將隨著量子芯片的發展迭代，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的技術總監孔偉成說：“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，最后再通過數十年的努力，實現通用量子計算機。”

郭國平說，在經典計算機時代，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展的創新力量。”郭國平說。