量子测控一体机:量子计算机小型化的第一步

2019-01-17 中国科学报

  大部分致力于量子芯片研究的团队都是用现有的设备搭建控制系统,但这样成本高且效率低。因此,研发专门针对量子计算的优化控制设备,就显得迫在眉睫。

  回顾计算机发展史,电子计算机在20世纪50年代刚刚被发明出来时体积巨大,首台电子计算机“ENIAC”占地170多平方米,发展至今才成为可以握在手中的设备。眼下,正处于起步阶段的量子计算机,似乎也在重复当年的故事——要实现对量子芯片的精准操控,需动用的仪器设备也要占满整个房间。

  以史为鉴,量子计算机的小型化势在必行。

  今天,这一历史进程正在上演。最近,来自中科院量子信息重点实验室的研究团队从量子计算机的外设硬件设备入手,研制了一套精简、高效的量子计算机控制系统——“量子测控一体机”,并将其“控制系统”的功能集成在一台行李箱大小的仪器之中,踏出了量子计算机小型化的第一步。

  这套系统具有“小型化、专业高效、国产化水平较高”等特点,中科院量子信息重点实验室副主任郭国平对《中国科学报》说:“这是国内量子计算领域前进的重要一步。”

  自主研发

  量子计算机控制系统,是指除量子芯片之外量子计算机所有的外部硬件,类似于经典计算机的主板、内存、存储器、电源等一系列部件的总称。

  “量子计算是新兴产业,国外发展较早,但科学家们关注更多的是量子芯片的性能提升,而忽视其控制系统的更新迭代。”郭国平告诉记者,大部分致力于量子芯片研究的团队都是用现有的设备搭建控制系统,但这样成本高且效率低。因此,研发专门针对量子计算的优化控制设备,就显得迫在眉睫。

  郭国平介绍说,为了满足量子计算实验研究的需要,以中科院院士郭光灿领衔的量子计算研究团队很早便开始尝试量子计算机控制系统的搭建。后来,由该团队创立的、致力于推动量子计算机走向应用的我国第一家量子计算公司——“本源量子”成立,量子计算机控制系统的研发也就成了本源量子的重要研发项目。

  “我们专门设立一个部门来开展相应的研发工作。”郭国平说,在此前技术积累的基础上,机制更灵活的本源量子很快组织工程师团队进行技术攻关和系统研发,切切实实地在工程上建成了这一设备。

  经过不断的技术摸索及实验测试,我国首台自主研发的量子计算机控制系统于2018年12月正式亮相。郭国平向记者表示,自发布后,有多个研究院所联系其团队询问量子测控一体机的相关情况。

  一专多能

  量子测控一体机最基本功能是提供量子芯片运行所需的关键信号,同时负责对量子芯片传回信息的处理,并执行对量子计算机程序的编译。也就是说,量子测控一体机通过提供量子芯片的运行环境与接口,提供量子芯片所需的精密信号的生成、采集、控制与处理,使得量子芯片最大程度发挥其性能优势。

  记者了解到,量子测控一体机采用模块化设计,当前发布的版本包含四种功能模块,总计40个功能通道,功能通道之间通过PCIE高速扩展总线互连、实现一体化,可直接支持8位超导量子芯片或者2位半导体量子芯片。在使用过程中,还可以将其升级至最多200通道,以支持更高性能的量子芯片。

  郭国平透露,目前其团队已经开发了半导体2比特量子芯片以及超导6比特量子芯片,这两种工艺路线均在量子测控一体机上得到良好支持。

  “目前本源量子可提供多种版本的量子测控一体机,支持超导与半导体量子芯片,这也是世界上首台可以同时支持两种不同固态量子计算技术路线的集成化测控设备。”郭国平告诉《中国科学报》,“同时,我们正在研制适用于离子阱、金刚石、NEMS等更多量子物理体系研究需要的系统级方案以及独立功能模块。”

  本源量子公司董事长、量子测控部总监孔伟成介绍说,量子测控一体机将主要应用于量子芯片的测试研究与量子计算机的原理搭建等场景,此外,其本身作为高端仪器仪表,还可应用于精密测量、基础科学研究、雷达探测等更广泛的领域中。

  优势多多

  郭国平告诉《中国科学报》,量子测控一体机的核心指标以及模块设计均由其技术团队独立研发而成,模块设计采用的是“完全多功能一体化方式”,这与当今发布的其他几款由商用仪器搭建的量子计算机控制系统有明显区别。

  郭国平对记者说,当前由于我国高端仪器仪表严重依赖进口,传统的量子计算控制系统多使用国外进口商业仪器搭建,成本高昂(超千万元)且功能冗余、兼容性差;而专门针对量子芯片设计的量子测控一体机,不仅功能专精、性能优异,成本也可节约一半以上(批量生产成本仍有下降空间)。

  “这套设备的优势主要来自于高度的集成化,相当于把很多台不同功能的设备融合到一台设备中去,专为量子计算优化设计,从而带来功能上的专精、性能上的优势,精度更高、速度更快、成本更低,仪器占用空间小并且方便运携。”基于此,郭国平说,“我们认为小型化、集成化是量子测控设备发展的趋势,终究会替代原来的系统。”

  郭国平告诉《中国科学报》,这也是量子计算走向商业化所必须经过的关键环节。“量子计算机控制系统是搭建量子计算机的重要部分,其小型化之路将会推动量子计算机朝着集成度更高的方向发展,这是未来量子计算机发展的趋势。”

  此外,郭国平对记者表示,目前量子测控一体机的一些元部件已经国产化,在其可应用的多个领域,高端仪器依赖进口的局面或将改善。

  推动量子计算机研发

  值得一提的是,量子测控一体机还将随着量子芯片的发展而迭代。“随着芯片位数的提高,其对控制系统的要求也相应提高。”郭国平告诉记者,这其中有不少挑战:必须满足量子芯片对于信号生成、采集的指标需求, 满足量子芯片在运行时对信号控制与处理的指标需求;在利用量子芯片实现量子信息处理应用时,从量子计算机控制系统不同信号接口处输入输出的信号需要满足更加严格的逻辑关系。

  “我们需要对量子芯片运行时的一切指标需求进行严格的考核论证,理解量子信息处理的本质以及实际工作方式,以便针对性地研发满足指标的量子计算机控制系统,这是一个技术难点。”郭国平说道。

  孔伟成则表示,未来本源量子研发团队将对量子测控一体机进行持续改进升级,使其向着集成度更高、信号指标更高、模块化独立产品、量子计算机汇编语言等多个方向优化,并满足更多位数量子芯片的测控需求。

  量子测控一体机的研发,也将大大推动量子计算机的研发进程。

  “量子测控一体机的研发成功,使得我们可以进入到整个量子计算机系统的集成工作中来。这个过程需要一些时间,除了硬件上的适配和调试之外,包括控制程序、量子算法程序等软件相关的调试也都在紧张地进行之中。”郭国平对记者说,调试完成之后还要进行一段时间的运行测试,以确保整个系统的正常、可靠运行,同时也会给下一步的研发提供相关数据。

  而对于何时推出量子计算机样机,郭国平表示,“我们会根据各个集成测试模块的进度来调整工作内容的安排”。他强调,量子计算机的研发是一个长期的工作,这里面包含“开发—测试—迭代开发”这样不断向前演进的研发周期。“我们今年内计划完成几个阶段性的开发和测试工作;在合适的时机,我们会推出量子计算机样机。”

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