探秘國產(chǎn)“量子計算”一站式布局，產(chǎn)業(yè)落地需哪些實力？

隨著核心技術(shù)的不斷突破和發(fā)展，量子計算已經(jīng)從實驗室走出，向商業(yè)化的階段邁進，成為未來科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的重要基礎(chǔ)。歷屆兩會和相關(guān)政策方面，對“量子信息/量子科技”，也從基礎(chǔ)理論研究到更為強調(diào)產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用落地，量子計算作為前沿技術(shù)方向之一，重要性得到了進一步提升。越來越多的企業(yè)和組織，開始關(guān)注量子計算技術(shù)的使用，希望在未來激烈的市場競爭中，獲得先發(fā)優(yōu)勢。

量旋科技是一家致力于量子計算產(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“世界量子日”， 量旋科技舉辦了“‘雙輪’驅(qū)動 加速未來”為主題的2023戰(zhàn)略發(fā)布會。量旋科技創(chuàng)始人& CEO 項金根表示，“ ‘雙輪’驅(qū)動是量旋成立至今始終秉持的戰(zhàn)略方針。我們不僅關(guān)注量子計算技術(shù)的前沿研究和開發(fā)，同時也著眼于如何加速將量子計算技術(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>

會上，量旋科技全線升級了三大業(yè)務(wù)線產(chǎn)品：超導(dǎo)量子計算體系產(chǎn)品首次正式對外亮相，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)量子測控系統(tǒng)織女星在內(nèi)的多款新品；同時，發(fā)布了量子軟件編程框架SpinQit與量子計算云平臺金牛座；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)量子處理器芯片簡稱超導(dǎo)量子芯片（QPU），是超導(dǎo)量子計算機的心臟。與經(jīng)典計算機的中央處理器（CPU）不同，它基于量子力學原理，通過構(gòu)建超導(dǎo)量子比特并對其進行精確操控來完成量子邏輯門的操作和量子算法運算。

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、制造和封裝測試等方面，與現(xiàn)有的集成電路工藝具有較高的兼容性，同時量子比特的能級與比特間的耦合都可以實現(xiàn)靈活的設(shè)計與控制，因此極具規(guī)?；瘮U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、制造、封裝、測試到芯片產(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)計自動化軟件天乙和超導(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，用戶可以隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)訪問和使用。它擁有友好的交互界面，直觀、簡潔、響應(yīng)迅速。同時，天乙提供豐富的超導(dǎo)量子芯片元器件庫，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布線功能，可以避免手動布線的繁瑣和耗時過程，提高設(shè)計效率；避免手動布線中出現(xiàn)的連接錯誤，提高芯片制造的成功率和可靠性。同時，可以通過優(yōu)化線路連接方式，減少線路長度和面積占用，提高芯片的集成度。未來，在天乙 1.0 的基礎(chǔ)上，量旋科技將繼續(xù)豐富元器件庫，開發(fā)更加智能的自動布線算法，并且實現(xiàn)與仿真平臺的完全對接。

少微處理器是一款標準化、量產(chǎn)型的高性能量子芯片，具有高 Qi 值和長比特壽命等特點，這意味著量子比特能夠在更長時間保持其量子態(tài)，從而可以進行更多的計算操作，提高量子計算的可靠性和準確性。

另據(jù)孟鐵軍介紹，依托專用的量子芯片生產(chǎn)線，可以獨立控制產(chǎn)品品質(zhì)和工藝流程，避免了交叉污染的風險，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比特的標準芯片產(chǎn)品，也可以提供定制化的芯片設(shè)計和加工服務(wù)，并且提供更快的發(fā)貨速度。

讓量子比特測控更快、更準、更便捷

為了使超導(dǎo)量子芯片能夠發(fā)揮出量子計算指數(shù)級加速的性能，我們需要對比特進行精準的測量和控制，量旋科技經(jīng)過自主研發(fā)打造出了量子測控系統(tǒng)織女星Vega。

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

測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)，進而實現(xiàn)對超導(dǎo)量子比特參數(shù)的標定、量子門操作和量子算法。

鄒宏洋表示，測控系統(tǒng)織女星是利用幾十個FPGA芯片的強大算力進行分布式邊緣計算，與CPU的數(shù)據(jù)處理模式相比大大提升測控速度;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控更精準。開放底層的 API 接口適合測控人員千變?nèi)f化的測控需求，內(nèi)置網(wǎng)分頻譜功能方便調(diào)試和標定，支持 FPGA 程序遠程升級，緊湊的易擴展的模塊化單元讓織女星的使用更便捷。

織女星中的一個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，同時其高度只有標準機柜 1U，在保證比特測控準確度的同時提高了系統(tǒng)的集成度。

有了任意波形發(fā)射單元，另一個不可或缺的模塊單元是信號的采集和分析模塊。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。除了準確獲取量子比特當前的狀態(tài)，還可以利用量子分析儀中的FPGA芯片對采集到的量子信號進行及時的預(yù)處理，將量子比特的狀態(tài)直接反饋給上位機，減少測控系統(tǒng)與上位機之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，使用戶能夠用更快的速度完成比特的測控。

有了發(fā)射、采集和同步，超導(dǎo)量子比特測控中還有一個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赫茲的微波源進行調(diào)制，利用調(diào)制好的波形對比特進行控制，讀取到的帶有比特信息的幾G赫茲的微波信號需要經(jīng)過解調(diào)后才能被量子分析儀所捕獲和分析。混頻單元 MIX18Q8有8組正交混頻模塊，工作頻率 2.5 至 8.5 GHz，可以滿足對量子比特準確測控的需求。

鄒宏洋補充，織女星整體為一米八左右的銀灰色標準機柜，內(nèi)部緊密排列著1U的模塊單元，方便系統(tǒng)的擴展、維護和拆裝，而緊湊的布局讓其在方便連線和移動的同時，能滿足20比特測控的所有需求。相比同類型產(chǎn)品，織女星具有“更快，更準、更便捷”三大亮點。

讓量子計算軟件的開發(fā)更加開放高效

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器學習的發(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器上運行，同時也對量子 SDK 提出了新的需求，如自動微分和訓練經(jīng)典-量子混合的機器學習模型。 然而，早期的 SDK 對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)計理念是以開放和高效為核心。其整體架構(gòu)分為三個部分:前端 API、編譯器和執(zhí)行平臺。

前端即不同量子編程的語法，支持對接不同的經(jīng)典軟件或開發(fā)平臺，包括支持Python、OpenQASM、Qiskit等?？傮w上對于基礎(chǔ) API 而言，SpinQit 支持用戶構(gòu)建任意的量子線路，便于編程實現(xiàn)新的量子算法，通過將眾多基礎(chǔ)算法封裝成原語和算法 API 供用戶調(diào)用，使用戶不用重復(fù)造輪子，這也是 SpinQit 最重要的價值所在。

在這些豐富的前端 API 的背后，是一個專門為量子計算設(shè)計的編譯系統(tǒng)。前端語法都有對應(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都會分解為一些基本門。

由于不同執(zhí)行平臺支持的基本量子門是不同的，為了能夠在不同平臺上運行量子程序，每個執(zhí)行平臺都有對應(yīng)的匯編器進行進一步的處理，這些匯編器也會充分利用后端平臺的特點，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)行平臺是 SpinQit 最大的優(yōu)勢，依托量旋科技強大的量子計算機硬件資源，用戶可以選擇在包含真機和云平臺的不同平臺上運行自己的程序。真機方面，SpinQit 是國內(nèi)唯一可以提交到本地量子計算機執(zhí)行的 SDK，目前支持桌面型核磁量子計算機，未來還會支持超導(dǎo)量子計算機。

量旋的金牛座量子計算云平臺也是 SpinQit 生態(tài)中的一部分，現(xiàn)有的云上資源，包括真機和模擬器資源都可以供業(yè)界使用。其量子計算云平臺與SpinQit相互支撐，形成生態(tài)共建，目前金牛座云平臺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 算任務(wù)供量子計算機或模擬器平臺執(zhí)行；二是提供在線編程環(huán)境，用戶可以通過交互界面和代碼的形式來構(gòu)造量子線路進行實驗；三是量子算法應(yīng)用，通過案例展示了如何用量子程序解決實際的應(yīng)用問題。

打造人人皆可使用的量子計算機——新一代便攜式核磁量子計算機

項金根介紹，量旋科技在2020年曾發(fā)布了全球首款桌面型量子計算機——雙子座，成功地將原本需要在重量超過1噸的設(shè)備上才能實現(xiàn)的功能，移到了一臺重量只有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算機——三角座。與第一代產(chǎn)品雙子座 相比，三角座體積更小，只比普通的電腦機箱大一點點，重量降至 42 公斤，可支持 3 比特的可編程量子計算。

2022 年，量旋科技又推出了更加小巧、一體化的便攜式量子計算機——雙子座 mini。 它的尺寸進一步縮小，長寬已經(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，并且實現(xiàn)了開機即用，使用更加便捷。目前，其產(chǎn)品已經(jīng)暢銷五大洲，覆蓋 20多個國家和地區(qū)。

發(fā)布會當天，量旋科技又宣布推出升級版的雙子座 mini，即雙子座 mini pro。在保持產(chǎn)品尺寸和重量不變的同時，大幅提高了量子計算的性能。特別是量子門的保真度，將單比特門保真度從99%提升到了99.6%，雙比特門保真度從 98%提升到了99.3%。雖然數(shù)字變化看起來不大，但對量子計算來說，卻是一個巨大飛躍。

此外，還有新一代便攜式核磁量子計算機——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，達到16kg，可在 0~40°C室溫下穩(wěn)定運行。

由于縮小設(shè)備尺寸往往會影響性能。首先，量子信號的強度會減弱，尤其對于三比特樣品來說，信號強度只有納伏級別。

項金根介紹，為了檢測如此微弱的信號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，從而可以檢測到非常清晰的量子比特信號。此外，還對磁體勻場技術(shù)進行了改進，使系統(tǒng)的量子退相干時間非常長，T1 達到10秒，T2達到200毫秒，這意味著可以進行更多的量子門操作。

“我們推出便攜式核磁量子計算機的初衷，是讓每個學生都能接觸到量子計算教育，讓量子計算機不再僅僅存在于科幻中，而是成為人人都能擁有的機器”， 項金根表示。

寫在最后

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