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近日,在位于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里,數(shù)名研究人員正操作一臺(tái)20寸行李箱大小的儀器,進(jìn)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(mǎn)滿(mǎn)一屋子的設(shè)備。
這臺(tái)行李箱大小的儀器,就是中科大郭光燦院士及其同事郭國(guó)平、孔偉成等近期成功研制出的量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)——本源量子測(cè)控一體機(jī)。
“它小型化、專(zhuān)業(yè)高效,國(guó)產(chǎn)化水平較高?!敝锌圃毫孔有畔⒅攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任郭國(guó)平說(shuō),本源量子測(cè)控一體機(jī)是國(guó)內(nèi)第一款自主研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子芯片的操控并發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì),它的成功研制是邁向量子計(jì)算機(jī)重要的一步。
能對(duì)大型量子芯片實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)控,發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì)
量子測(cè)控一體機(jī)是一款能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大型量子芯片精準(zhǔn)測(cè)控的產(chǎn)品。
郭國(guó)平拿經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)比喻:“其實(shí)量子芯片跟傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)CPU一樣,正常工作的時(shí)候需要一個(gè)控制系統(tǒng)去支持它,就好比我們的電腦主機(jī)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(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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),量子測(cè)控一體機(jī)就是這個(gè)系統(tǒng),它是量子計(jì)算機(jī)除了量子芯片之外的所有硬件部件?!?/p>
量子測(cè)控一體機(jī)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?cái)?shù)目的不斷增多,儀器需要相應(yīng)增加,占地也越大。這類(lèi)似經(jīng)典計(jì)算機(jī)剛出現(xiàn)時(shí)的場(chǎng)景,1946年,世界上第一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)誕生時(shí),占地面積很大。
“量子計(jì)算機(jī)要想方便地投入使用,必須走小型化之路。”郭國(guó)平說(shuō),研究團(tuán)隊(duì)將諸多儀器進(jìn)行集成后變成一臺(tái)儀器,即量子測(cè)控一體機(jī),主要功能是提供量子芯片運(yùn)行所需的各種關(guān)鍵信號(hào),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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)讀取處理結(jié)果。
在當(dāng)前量子芯片飛速集成發(fā)展的階段,量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是量子計(jì)算機(jī)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(shì)。
節(jié)約成本,能應(yīng)用于精密測(cè)量等更廣泛領(lǐng)域
在本源量子測(cè)控一體機(jī)研制成功之前,量子計(jì)算機(jī)研發(fā)只能使用傳統(tǒng)商用儀器設(shè)備自行搭建量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這些商用儀器是非標(biāo)設(shè)備,并不是專(zhuān)業(yè)可操控量子比特,只是經(jīng)過(guò)調(diào)控后可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)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(dāng)然可以盛水,但盛水只是青花罐的一個(gè)功能?!惫鶉?guó)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(diào)試等缺點(diǎn)。
“我們相當(dāng)于為實(shí)現(xiàn)盛水功能打造了一個(gè)儲(chǔ)水罐?!惫鶉?guó)平說(shuō),如果買(mǎi)傳統(tǒng)商業(yè)儀器搭建一套系統(tǒng),成本超過(guò)千萬(wàn)元,而專(zhuān)門(mén)針對(duì)量子芯片設(shè)計(jì)的量子測(cè)控一體機(jī)可節(jié)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(cè)控一體機(jī)的使用還可以大量節(jié)約科研時(shí)間。以往科研人員自行搭建量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí),由于各個(gè)商用儀器缺乏統(tǒng)一規(guī)范,調(diào)試這些設(shè)備需要花費(fèi)數(shù)月甚至一年多的時(shí)間。量子測(cè)控一體機(jī)投入使用后,系統(tǒng)調(diào)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(shù)據(jù)驗(yàn)證。
量子測(cè)控一體機(jī)其本身還是高端儀器儀表,能夠應(yīng)用于精密測(cè)量、基礎(chǔ)科學(xué)研究等更廣泛的領(lǐng)域。郭國(guó)平說(shuō),目前國(guó)內(nèi)高端儀器儀表依賴(lài)于進(jìn)口,量子測(cè)控一體機(jī)的一些元部件已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化,在其可應(yīng)用的多個(gè)領(lǐng)域,高端儀器依賴(lài)進(jìn)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(jì)算機(jī)面世還很遠(yuǎn)
郭光燦院士團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,目前量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的階段,相當(dāng)于蒸汽機(jī)剛剛面世之際?!爱?dāng)蒸汽機(jī)只有0.01馬力時(shí),是比不過(guò)馬匹的,但有何意義?它代表著一個(gè)發(fā)展的方向?!惫鶉?guó)平說(shuō)。
科研人員預(yù)測(cè),當(dāng)量子計(jì)算時(shí)代到來(lái)時(shí),利用GHz時(shí)鐘頻率的量子計(jì)算機(jī)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(xiàn)在,即便是用世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也至少需要幾百年。
郭國(guó)平說(shuō),現(xiàn)在的量子測(cè)控一體機(jī)只能服務(wù)于0.01馬力的量子芯片,當(dāng)量子芯片升級(jí)1馬力、10馬力時(shí),測(cè)控一體機(jī)要隨之升級(jí)迭代,滿(mǎn)足更多位數(shù)量子芯片的測(cè)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(tái)真正有用的量子計(jì)算機(jī)所需要的量子元素還很多,距離量子計(jì)算機(jī)的真正面世還很遠(yuǎn)。
負(fù)責(zé)量子測(cè)控一體機(jī)研發(fā)的技術(shù)總監(jiān)孔偉成說(shuō):“團(tuán)隊(duì)將盡快研制出‘量子計(jì)算機(jī)’原型機(jī),并且探索更廣泛的應(yīng)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(jì)算機(jī),最后再通過(guò)數(shù)十年的努力,實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)?!?/p>
郭國(guó)平說(shuō),在經(jīng)典計(jì)算機(jī)時(shí)代,一些跨國(guó)公司已在操作系統(tǒng)和芯片等方面建立體系,使后來(lái)者追趕困難。而在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域,海外跨國(guó)公司還沒(méi)有形成絕對(duì)優(yōu)勢(shì)?!拔覀兿Mㄟ^(guò)努力,在量子計(jì)算時(shí)代到來(lái)之際搶占先機(jī),成為推動(dòng)全世界科研發(fā)展的創(chuàng)新力量?!惫鶉?guó)平說(shuō)。