在政策、人才和資本的多重推動(dòng)，量子信息技術(shù)已成為各方關(guān)注與期待的焦點(diǎn)，去年諾貝爾獎(jiǎng)花落量子糾纏，更是激發(fā)了全社會(huì)對(duì)量子技術(shù)的熱情。
量子信息技術(shù)主要包括量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量三大領(lǐng)域，其中，量子計(jì)算具有經(jīng)典計(jì)算技術(shù)無法比擬的巨大信息攜帶量和超強(qiáng)并行計(jì)算處理能力，為人工智能、密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、資源勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供了解決方案。
走出實(shí)驗(yàn)室的量子計(jì)算
量子計(jì)算的概念最早由費(fèi)曼提出，英國物理學(xué)家David Deutsch進(jìn)一步發(fā)展了費(fèi)曼的構(gòu)想，通過“量子線路”方法，將經(jīng)典計(jì)算機(jī)中負(fù)責(zé)運(yùn)算處理的邏輯門擴(kuò)展到了量子力學(xué)領(lǐng)域，90年代的Shor算法和Grover算法證明了量子計(jì)算擁有經(jīng)典計(jì)算無可比擬的速度。
量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展分為實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性、實(shí)用化的量子模擬機(jī)和可編程的通用量子計(jì)算機(jī)三個(gè)階段，隨著量子計(jì)算優(yōu)越性得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，量子計(jì)算已進(jìn)入實(shí)用化優(yōu)勢(shì)應(yīng)用場(chǎng)景探索的新階段。近年來，全球量子計(jì)算領(lǐng)域科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)亮點(diǎn)紛呈，離子阱、超導(dǎo)、光量子和半導(dǎo)體等多種技術(shù)路線并行發(fā)展，比特?cái)?shù)量規(guī)模和質(zhì)量參數(shù)進(jìn)一步提升。
我國的量子計(jì)算研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，現(xiàn)已處于國際第一陣營，在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文發(fā)表量和研究機(jī)構(gòu)數(shù)量位列全球第二（第一是美國），并于近兩年取得了一系列標(biāo)志性成果。當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)的研究正從實(shí)驗(yàn)室階段向工程技術(shù)化階段邁進(jìn)，如何“走出實(shí)驗(yàn)室”成為我國科研機(jī)構(gòu)和量子企業(yè)都在思考的問題。
近日，專注量子計(jì)算機(jī)工程化及產(chǎn)業(yè)化的啟科量子，推出了國內(nèi)首臺(tái)模塊化離子阱量子計(jì)算工程機(jī)天算1號(hào)，這標(biāo)志著我國原子型量子計(jì)算機(jī)邁出了從關(guān)鍵技術(shù)突破、實(shí)驗(yàn)室研發(fā)、原理樣機(jī)研制到產(chǎn)品工程化的關(guān)鍵一步。
天算1號(hào)外觀圖
啟科量子研發(fā)人員向記者介紹了天算1號(hào)各個(gè)系統(tǒng)功能，離子阱系統(tǒng)提供離子源并實(shí)現(xiàn)對(duì)離子囚禁，光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)離子冷卻以及量子態(tài)操控，工作環(huán)境系統(tǒng)主要是提供超高真空環(huán)境以減少背景氣體分子對(duì)離子的碰撞，測(cè)控系統(tǒng)通過指令時(shí)序調(diào)節(jié)電壓、激光等參數(shù)以實(shí)現(xiàn)計(jì)算的主要步驟，這四大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)離子阱量子計(jì)算機(jī)硬件工程化、操作界面智能化。由若干模塊組成四大系統(tǒng)，四大系統(tǒng)組裝成整機(jī)，未來某個(gè)模塊出現(xiàn)錯(cuò)誤，可以通過插拔的形式進(jìn)行迅速恢復(fù)。
量子計(jì)算機(jī)工程機(jī)分系統(tǒng)框架圖
勇闖國內(nèi)離子阱量子計(jì)算“無人區(qū)”
量子計(jì)算根據(jù)功能劃分，可分為專用型量子計(jì)算機(jī)與通用型量子計(jì)算機(jī)，專用型量子計(jì)算機(jī)用于解決特定問題（如優(yōu)化問題），而通用型量子計(jì)算機(jī)支持編寫基于通用邏輯門的算法程序，應(yīng)用范圍更廣泛。目前能夠?qū)崿F(xiàn)通用量子計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)只有離子阱和超導(dǎo)兩種。
離子阱利用電荷與電磁場(chǎng)間的交互作用力牽制帶電粒子運(yùn)動(dòng)，并利用囚禁離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)組成的兩個(gè)能級(jí)作為量子比特，利用微波激光照射操縱量子態(tài)，通過連續(xù)泵浦光和態(tài)相關(guān)熒光實(shí)現(xiàn)量子比特的初始化和探測(cè)。離子阱技術(shù)路線具有無需極低溫冷卻，天然離子量子比特具有全同性，保真度高，相干壽命長（秒級(jí)），糾錯(cuò)編碼開銷需求低，光子操控、互聯(lián)與未來量子信息組網(wǎng)兼容等優(yōu)勢(shì)，其基本技術(shù)與四屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的技術(shù)緊密相關(guān)。
近年來，世界各地研究團(tuán)隊(duì)一直在加速創(chuàng)建離子阱量子計(jì)算機(jī)，國外的離子阱量子計(jì)算企業(yè)主要有美國的Quantinuum(霍尼韋爾子公司)和IonQ、英國的Oxford Ionics和Universal Quantum、奧地利的Alpine Quantum Technologies 等，國內(nèi)首家離子阱量子計(jì)算公司正是啟科量子。
以工程化方式推進(jìn)離子阱量子計(jì)算機(jī)的研制，是目前該技術(shù)路線在國內(nèi)外的焦點(diǎn)，此前工程化關(guān)鍵技術(shù)一直被國外幾家離子阱公司壟斷。啟科量子負(fù)責(zé)人表示，“外國離子阱工程機(jī)不斷取得突破，國內(nèi)卻依舊處于空白期，這一落差堅(jiān)定了我們打造自主可控離子阱量子計(jì)算機(jī)的決心�！�
為此，啟科量子在全球范圍內(nèi)招募量子計(jì)算人才，組建了一支具有“光學(xué)+機(jī)械+電子+測(cè)控+量子物理”技術(shù)的全能團(tuán)隊(duì)，自主研發(fā)出達(dá)到國際領(lǐng)先水平的離子阱量子計(jì)算工程機(jī)，該工程機(jī)已經(jīng)獲得了國內(nèi)量子信息、原子物理、光電子學(xué)等領(lǐng)域知名專家的權(quán)威評(píng)審。
啟科量子負(fù)責(zé)人表示，全球量子計(jì)算機(jī)的工程化之路已經(jīng)起步，啟科將在天算1號(hào)的基礎(chǔ)上，著力發(fā)展以“離子-光子“糾纏為基礎(chǔ)的分布式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)百邏輯比特的分布式運(yùn)算。目前公司正打造以離子阱量子計(jì)算機(jī)為核心的全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)，未來將在供應(yīng)鏈、金融、制藥、化工、交通、汽車、物流、航空、能源、氣象等領(lǐng)域注入“經(jīng)典-量子”異構(gòu)算力，解決如生物結(jié)構(gòu)模擬、物流效率計(jì)算、尋找靶向藥物等重要復(fù)雜問題。
