探秘國(guó)產(chǎn)“量子計(jì)算”一站式布局，產(chǎn)業(yè)落地需哪些實(shí)力？

隨著核心技術(shù)的不斷突破和發(fā)展，量子計(jì)算已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走出，向商業(yè)化的階段邁進(jìn)，成為未來(lái)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的重要基礎(chǔ)。歷屆兩會(huì)和相關(guān)政策方面，對(duì)“量子信息/量子科技”，也從基礎(chǔ)理論研究到更為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用落地，量子計(jì)算作為前沿技術(shù)方向之一，重要性得到了進(jìn)一步提升。越來(lái)越多的企業(yè)和組織，開(kāi)始關(guān)注量子計(jì)算技術(shù)的使用，希望在未來(lái)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，獲得先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

量旋科技是一家致力于量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化和普惠化的一站式解決方案服務(wù)商，日前，在第三個(gè)“世界量子日”， 量旋科技舉辦了“‘雙輪’驅(qū)動(dòng) 加速未來(lái)”為主題的2023戰(zhàn)略發(fā)布會(huì)。量旋科技創(chuàng)始人& CEO 項(xiàng)金根表示，“ ‘雙輪’驅(qū)動(dòng)是量旋成立至今始終秉持的戰(zhàn)略方針。我們不僅關(guān)注量子計(jì)算技術(shù)的前沿研究和開(kāi)發(fā)，同時(shí)也著眼于如何加速將量子計(jì)算技術(shù)，應(yīng)用到各行各業(yè)中，使其成為真正的生產(chǎn)力工具?！?/p>

會(huì)上，量旋科技全線升級(jí)了三大業(yè)務(wù)線產(chǎn)品：超導(dǎo)量子計(jì)算體系產(chǎn)品首次正式對(duì)外亮相，發(fā)布了包括超導(dǎo)量子芯片少微、超導(dǎo)芯片EDA軟件天乙和超導(dǎo)量子測(cè)控系統(tǒng)織女星在內(nèi)的多款新品；同時(shí)，發(fā)布了量子軟件編程框架SpinQit與量子計(jì)算云平臺(tái)金牛座；以及推出了雙子座Mini pro、三角座 Mini便攜式產(chǎn)品。

一體化的超導(dǎo)量子芯片服務(wù)——超導(dǎo)量子芯片&EDA產(chǎn)品

超導(dǎo)量子處理器芯片簡(jiǎn)稱超導(dǎo)量子芯片（QPU），是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的心臟。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的中央處理器（CPU）不同，它基于量子力學(xué)原理，通過(guò)構(gòu)建超導(dǎo)量子比特并對(duì)其進(jìn)行精確操控來(lái)完成量子邏輯門(mén)的操作和量子算法運(yùn)算。

量旋科技CTO孟鐵軍介紹，超導(dǎo)量子芯片是由約瑟夫森結(jié)、共面波導(dǎo)傳輸線、電容、電感等基本元件組成的超導(dǎo)電路構(gòu)成。超導(dǎo)量子芯片在芯片設(shè)計(jì)、制造和封裝測(cè)試等方面，與現(xiàn)有的集成電路工藝具有較高的兼容性，同時(shí)量子比特的能級(jí)與比特間的耦合都可以實(shí)現(xiàn)靈活的設(shè)計(jì)與控制，因此極具規(guī)?；瘮U(kuò)展和應(yīng)用潛力。

據(jù)了解，量旋科技在超導(dǎo)量子芯片方面，已經(jīng)完成了從芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試到芯片產(chǎn)品交付的全流程覆蓋，擁有專用的量子芯片生產(chǎn)線，可以提供全方位、 一體化的量子芯片解決方案。量旋科技最新推出的是超導(dǎo)芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件天乙和超導(dǎo)量子芯片少微。

其中，天乙EDA旨在為研究人員和工程師提供高效、智能、易用的量子芯片設(shè)計(jì)和仿真工具。是一款基于Web端的量子芯片EDA 軟件，用戶可以隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)和使用。它擁有友好的交互界面，直觀、簡(jiǎn)潔、響應(yīng)迅速。同時(shí)，天乙提供豐富的超導(dǎo)量子芯片元器件庫(kù)，可以靈活快速的修改元器件的參數(shù)，并且可以增加定制化的元器件。最重要的是，該軟件集成了智能化的全自動(dòng)布線功能，可以避免手動(dòng)布線的繁瑣和耗時(shí)過(guò)程，提高設(shè)計(jì)效率；避免手動(dòng)布線中出現(xiàn)的連接錯(cuò)誤，提高芯片制造的成功率和可靠性。同時(shí)，可以通過(guò)優(yōu)化線路連接方式，減少線路長(zhǎng)度和面積占用，提高芯片的集成度。未來(lái)，在天乙 1.0 的基礎(chǔ)上，量旋科技將繼續(xù)豐富元器件庫(kù)，開(kāi)發(fā)更加智能的自動(dòng)布線算法，并且實(shí)現(xiàn)與仿真平臺(tái)的完全對(duì)接。

少微處理器是一款標(biāo)準(zhǔn)化、量產(chǎn)型的高性能量子芯片，具有高 Qi 值和長(zhǎng)比特壽命等特點(diǎn)，這意味著量子比特能夠在更長(zhǎng)時(shí)間保持其量子態(tài)，從而可以進(jìn)行更多的計(jì)算操作，提高量子計(jì)算的可靠性和準(zhǔn)確性。

另?yè)?jù)孟鐵軍介紹，依托專用的量子芯片生產(chǎn)線，可以獨(dú)立控制產(chǎn)品品質(zhì)和工藝流程，避免了交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，從而更好地保證產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。該生產(chǎn)線既可以提供2比特、10比特、20比特的標(biāo)準(zhǔn)芯片產(chǎn)品，也可以提供定制化的芯片設(shè)計(jì)和加工服務(wù)，并且提供更快的發(fā)貨速度。

讓量子比特測(cè)控更快、更準(zhǔn)、更便捷

為了使超導(dǎo)量子芯片能夠發(fā)揮出量子計(jì)算指數(shù)級(jí)加速的性能，我們需要對(duì)比特進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量和控制，量旋科技經(jīng)過(guò)自主研發(fā)打造出了量子測(cè)控系統(tǒng)織女星Vega。

量旋科技技術(shù)副總裁鄒宏洋介紹了超導(dǎo)量子測(cè)控系統(tǒng)的架構(gòu)，通過(guò)將含有超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)量子芯片放入到十毫開(kāi)爾文的低溫環(huán)境當(dāng)中;用任意波形發(fā)生器發(fā)射特定的直流信號(hào)通過(guò)Z線進(jìn)入芯片進(jìn)而控制比特的頻率;任意波形發(fā)生器發(fā)出的IQ兩路信號(hào)與微波源進(jìn)行正交混頻，通過(guò) XY線進(jìn)入芯片，進(jìn)而控制比特當(dāng)前的量子態(tài);用相似的方法通過(guò)讀入線打入讀取波形，將讀出的 量子信號(hào)解調(diào)后送入量子信號(hào)分析儀進(jìn)而得到量子比特當(dāng)前量子狀態(tài)。整套測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)交換機(jī)和上位機(jī)電腦進(jìn)行連接，方便用戶本地或遠(yuǎn)程對(duì)量子比特進(jìn)行測(cè)控。

測(cè)控人員可以利用織女星系列產(chǎn)品發(fā)射和采集典型值為4到8GHz的射頻脈沖，操控和讀取量子比特狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)量子比特參數(shù)的標(biāo)定、量子門(mén)操作和量子算法。

鄒宏洋表示，測(cè)控系統(tǒng)織女星是利用幾十個(gè)FPGA芯片的強(qiáng)大算力進(jìn)行分布式邊緣計(jì)算，與CPU的數(shù)據(jù)處理模式相比大大提升測(cè)控速度;優(yōu)于 1 納秒的同步精度和 16 位的垂直分辨率讓比特的測(cè)控更精準(zhǔn)。開(kāi)放底層的 API 接口適合測(cè)控人員千變?nèi)f化的測(cè)控需求，內(nèi)置網(wǎng)分頻譜功能方便調(diào)試和標(biāo)定，支持 FPGA 程序遠(yuǎn)程升級(jí)，緊湊的易擴(kuò)展的模塊化單元讓織女星的使用更便捷。

織女星中的一個(gè)主要模塊單元是任意波形發(fā)生器 AWG 1208，其具有8路任意波形發(fā)射，2G采樣率，16位垂直分辨率，400兆射頻帶寬和優(yōu)于1ns 的同步精度，同時(shí)其高度只有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜 1U，在保證比特測(cè)控準(zhǔn)確度的同時(shí)提高了系統(tǒng)的集成度。

有了任意波形發(fā)射單元，另一個(gè)不可或缺的模塊單元是信號(hào)的采集和分析模塊。量子分析儀 QA 1124具有四路任意波形發(fā)射和兩路采集通道，任意波形發(fā)射通道參數(shù)與織女星AWG1208 相同，采集通道具有1G 采樣率，14位垂直分辨率，400兆赫茲射頻帶寬和優(yōu)于1ns的同步精度。除了準(zhǔn)確獲取量子比特當(dāng)前的狀態(tài)，還可以利用量子分析儀中的FPGA芯片對(duì)采集到的量子信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的預(yù)處理，將量子比特的狀態(tài)直接反饋給上位機(jī)，減少測(cè)控系統(tǒng)與上位機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，使用戶能夠用更快的速度完成比特的測(cè)控。

有了發(fā)射、采集和同步，超導(dǎo)量子比特測(cè)控中還有一個(gè)重要的模塊就是混頻，需要將任意波形發(fā)生器發(fā)出的幾百兆赫茲波形與幾G赫茲的微波源進(jìn)行調(diào)制，利用調(diào)制好的波形對(duì)比特進(jìn)行控制，讀取到的帶有比特信息的幾G赫茲的微波信號(hào)需要經(jīng)過(guò)解調(diào)后才能被量子分析儀所捕獲和分析?；祛l單元 MIX18Q8有8組正交混頻模塊，工作頻率 2.5 至 8.5 GHz，可以滿足對(duì)量子比特準(zhǔn)確測(cè)控的需求。

鄒宏洋補(bǔ)充，織女星整體為一米八左右的銀灰色標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，內(nèi)部緊密排列著1U的模塊單元，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展、維護(hù)和拆裝，而緊湊的布局讓其在方便連線和移動(dòng)的同時(shí)，能滿足20比特測(cè)控的所有需求。相比同類型產(chǎn)品，織女星具有“更快，更準(zhǔn)、更便捷”三大亮點(diǎn)。

讓量子計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)更加開(kāi)放高效

由于早期的量子 SDK 只支持基礎(chǔ)量子算法，用于教育和科研。隨著變分量子算法和量子機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，出現(xiàn)了新的算法和應(yīng)用，這些算法可以在有噪聲的機(jī)器上運(yùn)行，同時(shí)也對(duì)量子 SDK 提出了新的需求，如自動(dòng)微分和訓(xùn)練經(jīng)典-量子混合的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。 然而，早期的 SDK 對(duì)這些需求的支持不足，因此，量旋科技推出了量子軟件編程框架 SpinQit。

量旋科技軟件算法技術(shù)總監(jiān)郭聰表示，SpinQit 的設(shè)計(jì)理念是以開(kāi)放和高效為核心。其整體架構(gòu)分為三個(gè)部分:前端 API、編譯器和執(zhí)行平臺(tái)。

前端即不同量子編程的語(yǔ)法，支持對(duì)接不同的經(jīng)典軟件或開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包括支持Python、OpenQASM、Qiskit等。總體上對(duì)于基礎(chǔ) API 而言，SpinQit 支持用戶構(gòu)建任意的量子線路，便于編程實(shí)現(xiàn)新的量子算法，通過(guò)將眾多基礎(chǔ)算法封裝成原語(yǔ)和算法 API 供用戶調(diào)用，使用戶不用重復(fù)造輪子，這也是 SpinQit 最重要的價(jià)值所在。

在這些豐富的前端 API 的背后，是一個(gè)專門(mén)為量子計(jì)算設(shè)計(jì)的編譯系統(tǒng)。前端語(yǔ)法都有對(duì)應(yīng)的編譯器，將程序編譯為統(tǒng)一的中間表示，除部分特例，前端用戶自定義的量子門(mén)都會(huì)分解為一些基本門(mén)。

由于不同執(zhí)行平臺(tái)支持的基本量子門(mén)是不同的，為了能夠在不同平臺(tái)上運(yùn)行量子程序，每個(gè)執(zhí)行平臺(tái)都有對(duì)應(yīng)的匯編器進(jìn)行進(jìn)一步的處理，這些匯編器也會(huì)充分利用后端平臺(tái)的特點(diǎn)，加速 一些操作，比如初始態(tài)制備。

郭聰表示，豐富的后端執(zhí)行平臺(tái)是 SpinQit 最大的優(yōu)勢(shì)，依托量旋科技強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)硬件資源，用戶可以選擇在包含真機(jī)和云平臺(tái)的不同平臺(tái)上運(yùn)行自己的程序。真機(jī)方面，SpinQit 是國(guó)內(nèi)唯一可以提交到本地量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行的 SDK，目前支持桌面型核磁量子計(jì)算機(jī)，未來(lái)還會(huì)支持超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

量旋的金牛座量子計(jì)算云平臺(tái)也是 SpinQit 生態(tài)中的一部分，現(xiàn)有的云上資源，包括真機(jī)和模擬器資源都可以供業(yè)界使用。其量子計(jì)算云平臺(tái)與SpinQit相互支撐，形成生態(tài)共建，目前金牛座云平臺(tái)提供三種不同層次的服務(wù)，一是提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施，SpinQit 和線上都可以提交計(jì) 算任務(wù)供量子計(jì)算機(jī)或模擬器平臺(tái)執(zhí)行；二是提供在線編程環(huán)境，用戶可以通過(guò)交互界面和代碼的形式來(lái)構(gòu)造量子線路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；三是量子算法應(yīng)用，通過(guò)案例展示了如何用量子程序解決實(shí)際的應(yīng)用問(wèn)題。

打造人人皆可使用的量子計(jì)算機(jī)——新一代便攜式核磁量子計(jì)算機(jī)

項(xiàng)金根介紹，量旋科技在2020年曾發(fā)布了全球首款桌面型量子計(jì)算機(jī)——雙子座，成功地將原本需要在重量超過(guò)1噸的設(shè)備上才能實(shí)現(xiàn)的功能，移到了一臺(tái)重量只有50 多公斤的設(shè)備上。

到了 2021 年，量旋科技又推出了新款桌面型量子計(jì)算機(jī)——三角座。與第一代產(chǎn)品雙子座 相比，三角座體積更小，只比普通的電腦機(jī)箱大一點(diǎn)點(diǎn)，重量降至 42 公斤，可支持 3 比特的可編程量子計(jì)算。

2022 年，量旋科技又推出了更加小巧、一體化的便攜式量子計(jì)算機(jī)——雙子座 mini。 它的尺寸進(jìn)一步縮小，長(zhǎng)寬已經(jīng)與普通的筆記本電腦相仿，而功能方面保持了與前代產(chǎn)品的一致，并且實(shí)現(xiàn)了開(kāi)機(jī)即用，使用更加便捷。目前，其產(chǎn)品已經(jīng)暢銷五大洲，覆蓋 20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

發(fā)布會(huì)當(dāng)天，量旋科技又宣布推出升級(jí)版的雙子座 mini，即雙子座 mini pro。在保持產(chǎn)品尺寸和重量不變的同時(shí)，大幅提高了量子計(jì)算的性能。特別是量子門(mén)的保真度，將單比特門(mén)保真度從99%提升到了99.6%，雙比特門(mén)保真度從 98%提升到了99.3%。雖然數(shù)字變化看起來(lái)不大，但對(duì)量子計(jì)算來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)巨大飛躍。

此外，還有新一代便攜式核磁量子計(jì)算機(jī)——三角座 mini，它支持3比特量子算法，尺寸與雙子座mini相同，重量略有增加，達(dá)到16kg，可在 0~40°C室溫下穩(wěn)定運(yùn)行。

由于縮小設(shè)備尺寸往往會(huì)影響性能。首先，量子信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)減弱，尤其對(duì)于三比特樣品來(lái)說(shuō)，信號(hào)強(qiáng)度只有納伏級(jí)別。

項(xiàng)金根介紹，為了檢測(cè)如此微弱的信號(hào)并讀取其中的量子比特狀態(tài)，量旋科技研發(fā)了更高靈敏度的專用量子探頭，將射頻系統(tǒng)功率增益倍數(shù)提升到了100 億倍，從而可以檢測(cè)到非常清晰的量子比特信號(hào)。此外，還對(duì)磁體勻場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使系統(tǒng)的量子退相干時(shí)間非常長(zhǎng)，T1 達(dá)到10秒，T2達(dá)到200毫秒，這意味著可以進(jìn)行更多的量子門(mén)操作。

“我們推出便攜式核磁量子計(jì)算機(jī)的初衷，是讓每個(gè)學(xué)生都能接觸到量子計(jì)算教育，讓量子計(jì)算機(jī)不再僅僅存在于科幻中，而是成為人人都能擁有的機(jī)器”， 項(xiàng)金根表示。

寫(xiě)在最后

正如量旋科技在會(huì)上所傳達(dá)的，這一系列新產(chǎn)品創(chuàng)造了量子計(jì)算機(jī)普及化的一個(gè)里程碑。未來(lái)，量旋科技將繼續(xù)堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)落地“雙輪驅(qū)動(dòng)”的戰(zhàn)略，與合作伙伴攜手，依托超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)、核磁量子計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算云平臺(tái)，為用戶提供全方位、一體化的量子計(jì)算解決方案，共同推動(dòng)全球量子計(jì)算事業(yè)的發(fā)展。