“造出中國人自己的量子計(jì)算機(jī)”

  倒金字塔形的機(jī)體閃耀著科技的光芒，星羅棋布的排線有條不紊地輸送著電流和信號，發(fā)光的芯片與遠(yuǎn)處墻上“造中國自主可控量子計(jì)算機(jī)”的標(biāo)語遙相呼應(yīng)，散熱器嗡鳴聲匯成的交響樂在一塵不染的實(shí)驗(yàn)室里回蕩不息……這是近日，本報(bào)記者在安徽省合肥市本源量子計(jì)算科技（合肥）股份有限公司（以下簡稱本源量子）量子計(jì)算機(jī)組裝與測試實(shí)驗(yàn)室看到的量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行場景。

  量子計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算任務(wù)的物理裝置。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)擁有并行性、指數(shù)級加速等優(yōu)勢，計(jì)算能力異常強(qiáng)大，可在大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)信息安全和人工智能、新藥研發(fā)、金融工程等領(lǐng)域大顯身手。

  “在信息時(shí)代，算力體現(xiàn)國力。算盤和現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的算力差距，就是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的算力差距?！敝袊茖W(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭國平對本報(bào)記者說，“我們在量子計(jì)算研發(fā)事業(yè)上的初心，就是造出中國人自己的量子計(jì)算機(jī)?！?br />
  經(jīng)過20多年的“修煉”，中國的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展成績亮眼。近日，本報(bào)記者走進(jìn)本源量子，現(xiàn)場感受量子計(jì)算機(jī)的魅力。

  初心

  幾代科學(xué)家的接力

  中國量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，經(jīng)歷了幾代科學(xué)家的接力，其起步，可以追溯到26年前。

  “1998年，我在籌辦一個(gè)‘量子通信和量子計(jì)算’科學(xué)會(huì)議，為了擴(kuò)大會(huì)議影響，希望邀請‘兩彈一星’元?jiǎng)族X學(xué)森來主持會(huì)議?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦說。

  在致錢學(xué)森的信中，郭光燦對發(fā)展量子信息技術(shù)的重要性做了解釋，并熱切邀請錢學(xué)森主持會(huì)議。

  沒多久，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“我國應(yīng)集全國力量攻克量子信息系統(tǒng)的技術(shù)問題”。

  從那時(shí)起，以郭光燦為代表的科學(xué)家開始了研究量子計(jì)算機(jī)的征程?；貞浲?，郭光燦對本報(bào)記者說：“迅速地研發(fā)出可以直接應(yīng)用的國產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)，并在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮量子計(jì)算優(yōu)勢的作用，是我們這一代人義不容辭的歷史使命?！?br />
  然而，中國量子計(jì)算機(jī)的研究之路，并不是一帆風(fēng)順的。

  在當(dāng)時(shí)，國內(nèi)的量子研究并沒有引起足夠的重視。郭光燦于1998年、1999年、2000年3次申請國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃），均以失敗告終。

  面對這樣的困境，郭光燦沒有氣餒，他始終認(rèn)為絕不能錯(cuò)過發(fā)展量子信息的大好機(jī)遇。后來，他成立了中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這是中國第一個(gè)量子信息實(shí)驗(yàn)室。

  初始的實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)簡陋，“只有一臺386電腦，一臺針式打印機(jī)，就兩個(gè)設(shè)備?！惫鉅N的一名學(xué)生回憶說，當(dāng)時(shí)大家都是排著隊(duì)用設(shè)備的，誰到點(diǎn)了，哪怕沒算完也得換人。

  功夫不負(fù)有心人，2001年，在第四次申請之后，郭光燦終于成功申請到了國家首個(gè)量子信息領(lǐng)域的973計(jì)劃，獲得2500萬元科研經(jīng)費(fèi)。該項(xiàng)目的實(shí)施對中國量子計(jì)算研究蓬勃發(fā)展并在國際上占有一席之地有重要作用。

  作為本源量子的首席科技顧問，郭光燦不僅要考慮自己的團(tuán)隊(duì)，更要考慮國家量子信息未來的發(fā)展。“中國要在世界上競爭，靠一個(gè)團(tuán)隊(duì)是不行的，必須團(tuán)結(jié)國內(nèi)所有力量來參與競爭。”此后，郭光燦組建起了量子信息科學(xué)隊(duì)伍。這個(gè)隊(duì)伍里，走出了郭光燦等5位中國科學(xué)院院士。

  時(shí)間來到2010年，郭光燦的學(xué)生郭國平接過接力棒，擔(dān)任了“固態(tài)量子芯片研究”重大專項(xiàng)首席科學(xué)家。郭國平說：“絕不能在關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域受制于人，一定要有中國自主可控的量子計(jì)算機(jī)。”

  2010年，郭國平申請了中國“超級973”科技專項(xiàng)“固態(tài)量子芯片”重大項(xiàng)目，任首席科學(xué)家，并于2013年在“一個(gè)電子”上實(shí)現(xiàn)10皮秒（1皮秒等于一萬億分之一秒）級量子邏輯門運(yùn)算，將原世界紀(jì)錄提高近百倍，為實(shí)現(xiàn)基于半導(dǎo)體的量子計(jì)算機(jī)邁出重要一步。

  2012年暑假，正在選擇研究生方向的孔偉成初次來到中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，參與了一組公開課的錄制過程。當(dāng)時(shí)，擔(dān)任量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任的郭光燦進(jìn)行授課，作了一場名為《來自量子世界的新技術(shù)》的科普報(bào)告。那一次報(bào)告讓孔偉成愛上了量子，決定從事這方面研究。

  “為國家研發(fā)自己的量子計(jì)算機(jī)，是我的夢想，也是我的使命?！笨蒲兄?，好比穿越量子計(jì)算“無人區(qū)”，孔偉成常這樣想?，F(xiàn)在，在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域鉆研10多年的孔偉成已經(jīng)成長為安徽省量子計(jì)算工程研究中心副主任、“本源悟空”硬件研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。

  2017年，郭國平領(lǐng)銜創(chuàng)辦了中國首家量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)化企業(yè)——本源量子，致力于中國量子計(jì)算的工程化和產(chǎn)業(yè)化。作為本源量子團(tuán)隊(duì)成員，郭光燦與郭國平帶領(lǐng)中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員默默耕耘，孔偉成也加入其中，擔(dān)任量子計(jì)算測控系統(tǒng)和整機(jī)組裝研發(fā)工作。

  技術(shù)

  關(guān)鍵組件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)

  “超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈有多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，芯片、測控系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、軟件及操作系統(tǒng)?！惫鶉秸f。

  逢山開路，遇水架橋。量子芯片、量子計(jì)算測控一體機(jī)、量子操作系統(tǒng)、量子軟件、量子計(jì)算云平臺……為造出中國人技術(shù)自主可控的量子計(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)軟硬件的全棧式開發(fā)。

  “每一項(xiàng)研發(fā)都要從零做起，意味著巨大的挑戰(zhàn)?！惫鶉秸f。

  “實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)自主研發(fā)量子計(jì)算機(jī)決不能靠商用儀器拼湊，我們需要造出量子計(jì)算機(jī)真正需要的控制系統(tǒng)?！笨讉コ蓪Ρ緢?bào)記者說。

  2018年12月，完全自主知識產(chǎn)權(quán)的首款國產(chǎn)量子測控系統(tǒng)——本源量子測控一體機(jī)研制成功。該量子測控一體機(jī)不僅能最大程度發(fā)揮量子芯片性能，還能應(yīng)用于精密測量等更廣泛的科研領(lǐng)域，填補(bǔ)了國內(nèi)在量子測控領(lǐng)域的空白。

  2020年9月，首臺國產(chǎn)工程化量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)本源悟源上線發(fā)布，2021年，中國第一臺量子計(jì)算機(jī)交付中國用戶使用。

  “想要搭建一個(gè)可以使用的量子計(jì)算機(jī)，不僅要去項(xiàng)目現(xiàn)場，還要調(diào)動(dòng)幾乎所有的團(tuán)隊(duì)資源?！笨讉コ烧f，那一年，他幾乎都是在研發(fā)平臺和外地兩頭跑。

  “到了最后一個(gè)月，整個(gè)團(tuán)隊(duì)基本就沒有休息過，還有大量未攻克的難題。”孔偉成回憶道，“上線前3個(gè)小時(shí)，我們修復(fù)了最后一個(gè)漏洞，系統(tǒng)正常運(yùn)行起來。那天我只睡了1個(gè)小時(shí)，但完成上線時(shí)，心里是滿滿的成就感，更有作為中國人的自豪感?！?br />
  這臺交付的量子計(jì)算機(jī)，使得中國成為世界上第三個(gè)具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的國家。

  2021年，中國自主研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)本源司南誕生。

  自此，中國科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出中國第一套量子計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)和操作系統(tǒng)、上線中國第一個(gè)搭載量子計(jì)算機(jī)真機(jī)的量子計(jì)算云平臺、研發(fā)出中國首個(gè)自主量子芯片設(shè)計(jì)軟件——本源坤元Q—EDA……從硬件、軟件、人才和產(chǎn)業(yè)方面提高中國量子計(jì)算原始創(chuàng)新能力。

  今年1月6日，由本源量子公司研制的中國第三代自主超導(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)開放。“本源悟空”的國產(chǎn)化率超過80%。其搭載了中國首條量子芯片生產(chǎn)線上生產(chǎn)的72計(jì)算比特量子芯片、中國首套量子計(jì)算測控系統(tǒng)、中國首款量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。

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

  孔偉成介紹，新機(jī)器匹配了本源第三代量子計(jì)算測控系統(tǒng)“本源天機(jī)”，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次量子芯片的批量自動(dòng)化測試，使量子計(jì)算機(jī)整機(jī)運(yùn)行效率提升數(shù)十倍。

  除了硬件，“本源悟空”還搭載了中國首個(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)人竇猛漢告訴本報(bào)記者，這一系統(tǒng)在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了對量子計(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。

  今年5月，量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”核心部件——高密度微波互連模組在合肥完成重大突破，成功解決“一根線”的“卡脖子”問題，實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化。

  量子芯片是“量子計(jì)算大腦”，需要在接近絕對零度的極低溫環(huán)境中運(yùn)行。高密度微波互連模組則如同“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，該模組中有一根至關(guān)重要的“線”——極低溫特種高頻同軸線纜。有了這根線，高密度微波互連模組既能準(zhǔn)確傳輸信號，又能隔絕熱量，為“量子計(jì)算大腦”與外部設(shè)備之間的量子信息傳輸建立起高速、穩(wěn)定的通道。

  “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)了該模組的國產(chǎn)化?！卑不帐×孔佑?jì)算工程研究中心副主任、“本源悟空”量子芯片研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人賈志龍說，“這對中國超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)化有積極作用?！?br />
  這款國產(chǎn)高密度微波互連模組可為超100位量子芯片提供微波信號傳輸通道，能夠在極低熱泄漏環(huán)境下實(shí)現(xiàn)微波信號的跨溫區(qū)穩(wěn)定傳輸。

  今年6月，國產(chǎn)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)關(guān)鍵設(shè)備——本源SL1000國產(chǎn)稀釋制冷機(jī)在合肥成功升級下線，標(biāo)志著中國在稀釋制冷領(lǐng)域已達(dá)國際先進(jìn)水平。

  “截至8月16日，‘本源悟空’已吸引全球范圍內(nèi)125個(gè)國家近1400萬人次訪問，成功完成超25.2萬個(gè)運(yùn)算任務(wù)。”安徽省量子計(jì)算工程研究中心副主任、“本源悟空”云服務(wù)研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人趙雪嬌對本報(bào)記者說。

  傳承

  量子“馬拉松”任重道遠(yuǎn)

  “量子計(jì)算機(jī)怎么用？”“中國的量子計(jì)算機(jī)是怎樣造出來的？”“‘悟空’為何有這么多線？”……6月1日，在本源量子的量子計(jì)算機(jī)組裝與測試實(shí)驗(yàn)室，30多名來自合肥當(dāng)?shù)刂袑W(xué)和小學(xué)的學(xué)生圍著量子計(jì)算機(jī)群好奇發(fā)問。

  當(dāng)日，由安徽省少工委、安徽省量子計(jì)算工程研究中心聯(lián)合舉辦的首次“中國自主量子計(jì)算機(jī)群開放授課活動(dòng)”在本源量子量子計(jì)算機(jī)組裝與測試實(shí)驗(yàn)室舉行。少先隊(duì)輔導(dǎo)員代表老師舒會(huì)麗和孔偉成共同用中國自主量子計(jì)算機(jī)真機(jī)為孩子們講授了一堂生動(dòng)的量子計(jì)算科普課。

  “同學(xué)們，我們面前的這個(gè)‘大家伙’就是中國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)‘本源悟空’。它的名字來自于中國神話故事里孫悟空，傳說孫悟空有72變，而量子計(jì)算機(jī)‘本源悟空’有72量子計(jì)算比特，寓意中國自主量子計(jì)算機(jī)如孫悟空般強(qiáng)大。這臺量子計(jì)算機(jī)，是中國幾代科學(xué)家奮斗數(shù)十年的結(jié)果?！?br />
  在“本源悟空”等5臺中國自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)群前，兩位老師用通俗易懂的語言向青少年解釋量子計(jì)算知識，回答了中國為什么要有自己的量子計(jì)算機(jī)等問題，鼓勵(lì)小朋友們從小努力學(xué)習(xí)科技知識，樹立科技自立自強(qiáng)志向，將來用科技報(bào)效祖國。

  “安徽是中國最先開始量子計(jì)算研究及產(chǎn)業(yè)化的省份，在國外量子計(jì)算發(fā)達(dá)國家已開設(shè)量子計(jì)算高中課程的國際背景下，我們要積極探索中國量子計(jì)算科普教育的新方法、新路徑?！壁w雪嬌說，“目前中國量子計(jì)算人才僅千人左右，中國未來產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)已迫在眉睫。”

  從探索到研發(fā)再到傳承，中國科學(xué)家們的奮斗軌跡，也是中國量子計(jì)算行業(yè)從無到有的縮影。

  2016年8月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，將量子計(jì)算機(jī)納入科技創(chuàng)新2030—重大項(xiàng)目。2021年，“量子信息”首次出現(xiàn)在“十四五”規(guī)劃及《政府工作報(bào)告》中。這一年起，教育部正式把量子信息科學(xué)納入本科生教育，以加快量子領(lǐng)域人才梯隊(duì)培養(yǎng)。越來越多的人才流向量子賽道，產(chǎn)業(yè)得以蓬勃發(fā)展。

  在量子計(jì)算機(jī)工程之路上，中國科學(xué)家們不僅催生出一大批原創(chuàng)性成果，還牽頭組建了國內(nèi)第一家量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。截至2024年7月，超100家企業(yè)、高校等機(jī)構(gòu)加入聯(lián)盟，涉及航空航天、大數(shù)據(jù)、先進(jìn)計(jì)算、金融等領(lǐng)域。

  時(shí)至今日，中國已牢固確立量子計(jì)算研究國際第一方陣地位，并成為世界上第三個(gè)可以交付量子計(jì)算機(jī)整機(jī)的國家。

  在郭國平看來，量子計(jì)算是一門艱深的學(xué)科，目前所做的研究不過是剛剛敲開量子科技的大門，在諸多物理體系的技術(shù)突破上仍充滿挑戰(zhàn)。“這場量子計(jì)算的全球競爭，本質(zhì)上更像一場馬拉松，任重道遠(yuǎn)?！惫鶉秸f。（記者  徐  靖  楊俊峰）