中科大研制出自主知識產權量子計算機控制系統
日期：2019-01-24 16:12:03 來源：凡帝(di)朗
近日，在(zai)位于中(zhong)國科學技術大學的(de)中(zhong)科院量子(zi)信息重點實(shi)驗室(shi)里，數名研(yan)究人員正操作(zuo)一臺20寸行(xing)(xing)李箱(xiang)大小(xiao)的(de)儀器，進行(xing)(xing)量子(zi)芯片(pian)的(de)調試等操作(zuo)。而在(zai)幾周之前，完成這些操作(zuo)還(huan)需要滿滿一屋子(zi)的(de)設備(bei)。
這(zhe)臺行李箱大(da)小的(de)儀器，就是中科大(da)郭光燦(can)院士及其(qi)同事郭國(guo)平、孔偉成(cheng)等近期成(cheng)功研制(zhi)出的(de)量子計(ji)算(suan)機(ji)控制(zhi)系統——本源量子測控一體機(ji)。
“它小型化、專業高(gao)效，國(guo)產化水平較高(gao)。”中科院量(liang)(liang)(liang)子(zi)信息重點(dian)實(shi)驗室(shi)副主任(ren)郭國(guo)平說(shuo)，本源量(liang)(liang)(liang)子(zi)測控(kong)一(yi)體(ti)機是(shi)國(guo)內第一(yi)款(kuan)自主研發的(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)(ji)算機控(kong)制(zhi)系統，可以實(shi)現對(dui)量(liang)(liang)(liang)子(zi)芯片的(de)(de)(de)操控(kong)并(bing)發揮(hui)其(qi)性能優勢(shi)，它的(de)(de)(de)成功研制(zhi)是(shi)邁向(xiang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)(ji)算機重要的(de)(de)(de)一(yi)步(bu)。
能對大型(xing)量子芯片(pian)實現精準測控，發揮(hui)性能優勢(shi)
量子測控(kong)一(yi)體機(ji)是一(yi)款(kuan)能夠實現對大(da)型量子芯片精準測控(kong)的產(chan)品。
郭(guo)國平拿經典(dian)計算(suan)(suan)機(ji)(ji)來比喻：“其實(shi)量子芯片(pian)跟(gen)傳統(tong)(tong)的(de)計算(suan)(suan)機(ji)(ji)CPU一樣，正常工(gong)作的(de)時候需要一個(ge)(ge)控制系(xi)統(tong)(tong)去支持它(ta)，就好比我們(men)(men)的(de)電腦(nao)主機(ji)(ji)里(li)有主板(ban)、內存、電源等一系(xi)列硬件(jian)(jian)，它(ta)們(men)(men)給處理(li)器(qi)提供(gong)一個(ge)(ge)發揮功能(neng)的(de)環(huan)境(jing)。量子芯片(pian)同樣需要這(zhe)(zhe)樣的(de)環(huan)境(jing)，我們(men)(men)把這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)環(huan)境(jing)定義為量子計算(suan)(suan)機(ji)(ji)控制系(xi)統(tong)(tong)，量子測控一體(ti)機(ji)(ji)就是這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)系(xi)統(tong)(tong)，它(ta)是量子計算(suan)(suan)機(ji)(ji)除(chu)了(le)量子芯片(pian)之外的(de)所有硬件(jian)(jian)部件(jian)(jian)。”
量(liang)子測控(kong)一體(ti)機未研(yan)制成(cheng)功之前，科研(yan)人員想要(yao)操控(kong)量(liang)子比(bi)特(te)(te)，要(yao)使用諸多儀器，有的(de)儀器體(ti)積(ji)比(bi)柜(ju)式空調還要(yao)大，林(lin)林(lin)總總的(de)儀器在一起(qi)，需要(yao)一間三四十(shi)平(ping)方米(mi)的(de)房間才(cai)能放下。隨著操控(kong)量(liang)子比(bi)特(te)(te)數(shu)目的(de)不(bu)斷增(zeng)多，儀器需要(yao)相應(ying)增(zeng)加，占(zhan)地也(ye)越大。這(zhe)類似經典計算(suan)機剛出(chu)現時的(de)場景，1946年，世界上第(di)一臺經典計算(suan)機誕生時，占(zhan)地面積(ji)很(hen)大。
“量子計算(suan)(suan)機(ji)要(yao)想(xiang)方便地投(tou)入使用，必須(xu)走小型化之路。”郭(guo)國平說，研究團隊將(jiang)諸多儀器進(jin)行集成后變成一(yi)臺儀器，即量子測(ce)控一(yi)體(ti)機(ji)，主要(yao)功能是提供(gong)量子芯(xin)片(pian)運行所(suo)需的各種關鍵信號，同時，量子芯(xin)片(pian)處(chu)理完一(yi)個任(ren)務以后，也可以通(tong)過量子計算(suan)(suan)機(ji)控制系統讀取處(chu)理結果。
在當前量(liang)子(zi)芯片飛速集成(cheng)發(fa)展(zhan)的階段，量(liang)子(zi)計算機(ji)控制系統是量(liang)子(zi)計算機(ji)不可或缺的組成(cheng)部分，能使量(liang)子(zi)芯片最大程度(du)發(fa)揮性(xing)能優(you)勢。
節約成本，能應用于(yu)精密測量等(deng)更廣泛領域
在(zai)本源量(liang)子測控(kong)一體機研(yan)制成功之前，量(liang)子計算(suan)機研(yan)發只(zhi)能使用(yong)傳統商(shang)用(yong)儀器(qi)(qi)設備自(zi)行(xing)搭建(jian)量(liang)子計算(suan)機控(kong)制系統。這些商(shang)用(yong)儀器(qi)(qi)是非標設備，并不是專(zhuan)業可(ke)操(cao)控(kong)量(liang)子比特，只(zhi)是經(jing)過調控(kong)后可(ke)以在(zai)一定程度上(shang)實現操(cao)控(kong)量(liang)子比特的功能。
“就好(hao)像科(ke)研人(ren)員需要盛(sheng)水(shui)這(zhe)個功能(neng)，以往市面上只有青花罐(guan)，青花罐(guan)當然可以盛(sheng)水(shui)，但(dan)盛(sheng)水(shui)只是青花罐(guan)的一個功能(neng)。”郭國(guo)平說。因此，原有的搭建方(fang)式不(bu)僅成本高昂、功能(neng)冗余，還存在兼容性差、難以調(diao)試等缺點。
“我們相當(dang)于為實(shi)現盛水功能打(da)造(zao)了(le)一個儲水罐。”郭國平說(shuo)，如(ru)果買傳(chuan)統商業儀器(qi)搭建(jian)一套(tao)系統，成本超過千萬元，而專門針對量(liang)子芯片設計的量(liang)子測控(kong)一體(ti)機可節約一半(ban)成本，大批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)后，成本還會進一步降低。
此外，量(liang)子測控一體機的使用還可以(yi)大量(liang)節約(yue)科(ke)研(yan)(yan)時間(jian)(jian)。以(yi)往科(ke)研(yan)(yan)人(ren)員自行搭建量(liang)子計(ji)算機控制系(xi)統(tong)時，由于(yu)各個商用儀器缺乏統(tong)一規(gui)范，調試這(zhe)些設(she)備(bei)需(xu)要花(hua)費數(shu)月甚至一年多的時間(jian)(jian)。量(liang)子測控一體機投入(ru)使用后，系(xi)統(tong)調試時間(jian)(jian)接近于(yu)0，科(ke)研(yan)(yan)人(ren)員可以(yi)更(geng)專注(zhu)于(yu)科(ke)研(yan)(yan)相(xiang)關(guan)的數(shu)據驗證。
量(liang)子測(ce)控一體機(ji)其(qi)本身還是高端(duan)儀(yi)(yi)器儀(yi)(yi)表(biao)，能夠應用(yong)于精密(mi)測(ce)量(liang)、基礎科學研究(jiu)等更廣泛的(de)領域(yu)。郭國(guo)(guo)平說，目前國(guo)(guo)內高端(duan)儀(yi)(yi)器儀(yi)(yi)表(biao)依賴于進口(kou)，量(liang)子測(ce)控一體機(ji)的(de)一些元部件(jian)已經國(guo)(guo)產化，在(zai)其(qi)可應用(yong)的(de)多(duo)個領域(yu)，高端(duan)儀(yi)(yi)器依賴進口(kou)的(de)局面或將改善。
將隨著量子芯(xin)片的發展迭代，但(dan)距離量子計算(suan)機面世還(huan)很遠
郭(guo)光(guang)燦院士團(tuan)隊認(ren)為，目前(qian)量子計算機(ji)(ji)發(fa)展的階段，相當(dang)于蒸汽機(ji)(ji)剛(gang)剛(gang)面(mian)世之際。“當(dang)蒸汽機(ji)(ji)只有(you)0.01馬力(li)時(shi)，是比不過(guo)馬匹的，但(dan)有(you)何(he)意義？它代表著一個(ge)發(fa)展的方向。”郭(guo)國(guo)平說(shuo)。
科(ke)研人員預(yu)測，當量子計算(suan)時(shi)(shi)代到來時(shi)(shi)，利用GHz時(shi)(shi)鐘頻率的量子計算(suan)機(ji)求(qiu)解一個億(yi)億(yi)億(yi)變(bian)量的線性(xing)方程(cheng)組，將(jiang)只需(xu)要(yao)10秒(miao)鐘。而現在，即(ji)便(bian)是用世界上最(zui)快的超級(ji)計算(suan)機(ji)也至(zhi)少需(xu)要(yao)幾百年。
郭(guo)國(guo)平說，現(xian)在(zai)的量(liang)子(zi)測(ce)控(kong)一體(ti)機只能服(fu)務于0.01馬力的量(liang)子(zi)芯(xin)片，當(dang)量(liang)子(zi)芯(xin)片升級1馬力、10馬力時，測(ce)控(kong)一體(ti)機要隨(sui)之升級迭(die)代，滿足更多位數量(liang)子(zi)芯(xin)片的測(ce)控(kong)需求。
郭(guo)光燦表示，除了量(liang)子芯片、控(kong)制系(xi)統外，要(yao)研制一臺真正有用的(de)量(liang)子計(ji)(ji)算(suan)機(ji)所(suo)需要(yao)的(de)量(liang)子元素還很多，距離量(liang)子計(ji)(ji)算(suan)機(ji)的(de)真正面世還很遠。
負責量子(zi)測控一體機(ji)(ji)研(yan)發的技術(shu)總監(jian)孔偉成說(shuo)：“團隊將盡(jin)快研(yan)制出‘量子(zi)計算(suan)(suan)機(ji)(ji)’原(yuan)型機(ji)(ji)，并(bing)且探索更(geng)廣泛(fan)的應用場景。然后(hou)再通過(guo)十(shi)年(nian)到(dao)二十(shi)年(nian)時間，研(yan)制出可解決(jue)實際生活需求(qiu)的專用量子(zi)計算(suan)(suan)機(ji)(ji)，最后(hou)再通過(guo)數十(shi)年(nian)的努力(li)，實現通用量子(zi)計算(suan)(suan)機(ji)(ji)。”
郭國(guo)平說，在(zai)經典(dian)計算機(ji)時代，一(yi)些跨(kua)國(guo)公司已在(zai)操作系統和芯片等方(fang)面建立體(ti)系，使后來者追(zhui)趕困難。而在(zai)量(liang)子(zi)計算機(ji)領域，海外(wai)跨(kua)國(guo)公司還沒有形成(cheng)絕對(dui)優勢。“我們希望通過(guo)努力(li)(li)，在(zai)量(liang)子(zi)計算時代到(dao)來之際搶(qiang)占(zhan)先機(ji)，成(cheng)為推動全世界科研發展(zhan)的(de)創新力(li)(li)量(liang)。”郭國(guo)平說。