“悟空”生出大算力 ——我國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)攻關(guān)之路

“短短3個(gè)月內(nèi)，‘本源悟空’已經(jīng)吸引了全球117個(gè)國(guó)家共計(jì)511萬(wàn)人次的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，完成了約16.9萬(wàn)個(gè)全球量子計(jì)算任務(wù)!”日前在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)，中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭國(guó)平興奮地說(shuō)。

2024年1月6日，我國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上線運(yùn)行，并向全球用戶限時(shí)免費(fèi)開(kāi)放。

這是中國(guó)量子算力首次大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間向全球開(kāi)放，標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入量子算力“可用”時(shí)代，也意味著中國(guó)自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造鏈已然“成鏈”。

三代科學(xué)家接力

中國(guó)量子計(jì)算機(jī)的起步，可以追溯到26年前。

“1998年，我正在籌辦‘量子通信和量子計(jì)算’香山科學(xué)會(huì)議。為了擴(kuò)大會(huì)議影響，想邀請(qǐng)一位‘大人物’來(lái)主持會(huì)議。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦向記者回憶。

這位“大人物”，就是“兩彈一星”元?jiǎng)族X學(xué)森。

在致錢學(xué)森的信中，郭光燦大膽建議“要拿出當(dāng)年搞‘兩彈一星’的精神來(lái)搞量子信息”，并熱切邀請(qǐng)錢學(xué)森主持會(huì)議。

沒(méi)多久，郭光燦就收到了錢學(xué)森的回信。錢學(xué)森高度贊同他的觀點(diǎn)，認(rèn)為“我國(guó)應(yīng)集全國(guó)力量攻克量子信息系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題”。

盡管錢學(xué)森因身體狀況未能參會(huì)，但他的支持，如曙光一般照亮了中國(guó)量子科學(xué)研究的前程。

從那時(shí)起，郭光燦開(kāi)始申請(qǐng)相關(guān)研究項(xiàng)目。2001年，他獲得了我國(guó)首個(gè)量子信息領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)重大項(xiàng)目資助。

時(shí)間來(lái)到2010年，郭光燦的學(xué)生郭國(guó)平接過(guò)接力棒，擔(dān)任了“固態(tài)量子芯片研究”重大專項(xiàng)首席科學(xué)家。2013年，郭國(guó)平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，在“一個(gè)電子”上實(shí)現(xiàn)了10皮秒級(jí)的量子邏輯門運(yùn)算，將原世界紀(jì)錄提高近百倍，為基于半導(dǎo)體材料的量子計(jì)算機(jī)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2017年，郭國(guó)平領(lǐng)銜創(chuàng)辦了國(guó)內(nèi)首家量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)化企業(yè)——本源量子計(jì)算科技(合肥)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“本源量子”)。

量子計(jì)算機(jī)因其強(qiáng)大的計(jì)算能力和廣泛的應(yīng)用前景，被視為未來(lái)的超級(jí)“工業(yè)加速器”。2023年，谷歌做了一項(xiàng)對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：完成相同的計(jì)算任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)用時(shí)3分鐘以內(nèi)，而最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)約需50年。

今年初，本源量子推出搭載72位自主超導(dǎo)量子芯片的量子計(jì)算機(jī)——“本源悟空”。取名“悟空”，寓意著其擁有“72變”的強(qiáng)大算力。

每一項(xiàng)研發(fā)都從零做起

“超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈有3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，芯片、硬件、軟件。”郭國(guó)平說(shuō)。

為了造出中國(guó)自主的量子計(jì)算機(jī)，本源量子建設(shè)了量子芯片制造封裝和量子計(jì)算機(jī)組裝測(cè)試兩大實(shí)驗(yàn)室，完成了從芯片到整機(jī)軟硬件的全棧式開(kāi)發(fā)。

量子芯片需要在-273.15℃的極低溫條件下運(yùn)行。這就要求連接量子芯片的線纜不僅傳輸信號(hào)不失真，還要隔絕熱量。

“為解決這一難題，我們與中電科40所聯(lián)合攻關(guān)，研制出適用于極低溫環(huán)境的高密度微波互連模組，并實(shí)現(xiàn)了該模組的國(guó)產(chǎn)化。”安徽省量子計(jì)算工程研究中心副主任、“本源悟空”研制團(tuán)隊(duì)成員賈志龍說(shuō)，“這為我國(guó)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)化提供了重要支持。”

量子計(jì)算機(jī)組裝測(cè)試需要將量子芯片、量子測(cè)控儀器儀表、量子操作系統(tǒng)、量子軟件等進(jìn)行整機(jī)組裝和測(cè)試。“每一項(xiàng)研發(fā)都要從零做起，意味著巨大的挑戰(zhàn)。”郭國(guó)平坦言。

“本源悟空”硬件研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人孔偉成介紹，新機(jī)器匹配了本源第三代量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)“本源天機(jī)”，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次量子芯片的批量自動(dòng)化測(cè)試，使量子計(jì)算機(jī)整機(jī)運(yùn)行效率提升數(shù)十倍。

除了芯片和硬件，“本源悟空”還搭載了我國(guó)首個(gè)量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)——本源司南3.0版本。操作系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人竇猛漢告訴記者，這一系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子計(jì)算任務(wù)批處理的支持，不但能夠支持量超協(xié)同計(jì)算，還可高效調(diào)度量子計(jì)算資源，大幅提升量子計(jì)算機(jī)整機(jī)運(yùn)行效率。

從實(shí)驗(yàn)室走向制造鏈

4月10日，“本源悟空”成功裝備國(guó)內(nèi)首個(gè)PQC(后量子密碼)“抗量子攻擊護(hù)盾”。從算力提升到“攻守兼?zhèn)?rdquo;，標(biāo)志著我國(guó)量子計(jì)算機(jī)制造鏈更加完備。

“制造一臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，需要從實(shí)驗(yàn)室的理論研究開(kāi)始，一路‘過(guò)關(guān)斬將’。”本源量子總經(jīng)理張輝介紹，本源量子還陸續(xù)研發(fā)制造出國(guó)內(nèi)首個(gè)用于量子芯片無(wú)損檢測(cè)的無(wú)損探針儀、對(duì)量子芯片進(jìn)行修復(fù)的激光退火儀等國(guó)產(chǎn)量子芯片生產(chǎn)設(shè)備。隨著這條集研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試于一體的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造鏈的形成和完善，本源量子成為我國(guó)目前唯一一家具備超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的公司。

目前，“本源悟空”已與多個(gè)國(guó)家級(jí)超算中心以及金融、通信、電力、航空、航天等部門和單位展開(kāi)合作。這些行業(yè)的積極參與，為中國(guó)量子計(jì)算機(jī)的制造應(yīng)用提供了更為優(yōu)渥的科研土壤。

今年的政府工作報(bào)告提出，積極培育新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)，制定未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，開(kāi)辟量子技術(shù)、生命科學(xué)等新賽道，創(chuàng)建一批未來(lái)產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)區(qū)。

“量子計(jì)算機(jī)制造鏈一頭連著科技創(chuàng)新，一頭連著新質(zhì)生產(chǎn)力。”談起下一步的打算，郭國(guó)平表示，“我們將加速量子計(jì)算的原理驗(yàn)證、技術(shù)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，向著實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可編程通用量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)穩(wěn)步邁進(jìn)!”記者吳長(zhǎng)鋒洪敬譜