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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