探訪合肥市本源量子計算機組裝與測試實驗室——
“造出中國人自己的量子計算機”
倒金字塔形的機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)光的芯片與遠處墻上“造中國自主可控量子計算機”的標語遙相呼應(yīng)，散熱器嗡鳴聲匯成的交響樂在一塵不染的實驗室里回蕩不息……這是近日，本報記者在安徽省合肥市本源量子計算科技(合肥)股份有限公司(以下簡稱本源量子)量子計算機組裝與測試實驗室看到的量子計算機運行場景。
量子計算機是實現(xiàn)量子計算任務(wù)的物理裝置。與經(jīng)典計算機相比，量子計算機擁有并行性、指數(shù)級加速等優(yōu)勢，計算能力異常強大，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。
“在信息時代，算力體現(xiàn)國力。算盤和現(xiàn)有計算機的算力差距，就是現(xiàn)有計算機和量子計算機的算力差距。”中國科學(xué)院量子信息重點實驗室副主任、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭國平對本報記者說，“我們在量子計算研發(fā)事業(yè)上的初心，就是造出中國人自己的量子計算機。”
經(jīng)過20多年的“修煉”，中國的量子計算機發(fā)展成績亮眼。近日，本報記者走進本源量子，現(xiàn)場感受量子計算機的魅力。
初心
幾代科學(xué)家的接力
中國量子計算機的發(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‘量子通信和量子計算’科學(xué)會議，為了擴大會議影響，希望邀請‘兩彈一星’元勛錢學(xué)森來主持會議。”中國科學(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，認為“我國應(yīng)集全國力量攻克量子信息系統(tǒng)的技術(shù)問題”。
從那時起，以郭光燦為代表的科學(xué)家開始了研究量子計算機的征程。回憶往昔，郭光燦對本報記者說：“迅速地研發(fā)出可以直接應(yīng)用的國產(chǎn)量子計算機，并在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域發(fā)揮量子計算優(yōu)勢的作用，是我們這一代人義不容辭的歷史使命。”
然而，中國量子計算機的研究之路，并不是一帆風(fēng)順的。
在當(dāng)時，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次申請國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)，均以失敗告終。
面對這樣的困境，郭光燦沒有氣餒，他始終認為絕不能錯過發(fā)展量子信息的大好機遇。后來，他成立了中國科學(xué)院量子信息重點實驗室，這是中國第一個量子信息實驗室。
初始的實驗室相當(dāng)簡陋，“只有一臺386電腦，一臺針式打印機，就兩個設(shè)備。”郭光燦的一名學(xué)生回憶說，當(dāng)時大家都是排著隊用設(shè)備的，誰到點了，哪怕沒算完也得換人。
功夫不負有心人，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量子信息領(lǐng)域的973計劃，獲得2500萬元科研經(jīng)費。該項目的實施對中國量子計算研究蓬勃發(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隊，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，靠一個團隊是不行的，必須團結(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)隊伍。這個隊伍里，走出了郭光燦等5位中國科學(xué)院院士。
時間來到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算機。”
2010年，郭國平申請了中國“超級973”科技專項“固態(tài)量子芯片”重大項目，任首席科學(xué)家，并于2013年在“一個電子”上實現(xiàn)10皮秒(1皮秒等于一萬億分之一秒)級量子邏輯門運算，將原世界紀錄提高近百倍，為實現(xiàn)基于半導(dǎo)體的量子計算機邁出重要一步。
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)院量子信息重點實驗室，參與了一組公開課的錄制過程。當(dāng)時，擔(dān)任量子信息重點實驗室主任的郭光燦進行授課，作了一場名為《來自量子世界的新技術(shù)》的科普報告。那一次報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)自己的量子計算機，是我的夢想，也是我的使命。”科研之路，好比穿越量子計算“無人區(qū)”，孔偉成常這樣想。現(xiàn)在，在量子計算機領(lǐng)域鉆研10多年的孔偉成已經(jīng)成長為安徽省量子計算工程研究中心副主任、“本源悟空”硬件研制團隊負責(zé)人。
2017年，郭國平領(lǐng)銜創(chuàng)辦了中國首家量子計算機產(chǎn)業(yè)化企業(yè)——本源量子，致力于中國量子計算的工程化和產(chǎn)業(yè)化。作為本源量子團隊成員，郭光燦與郭國平帶領(lǐng)中國科學(xué)院量子信息重點實驗室的研究人員默默耕耘，孔偉成也加入其中，擔(dān)任量子計算測控系統(tǒng)和整機組裝研發(fā)工作。
技術(shù)
關(guān)鍵組件實現(xiàn)國產(chǎn)
“超導(dǎo)量子計算機產(chǎn)業(yè)鏈有多個關(guān)鍵點，芯片、測控系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、軟件及操作系統(tǒng)。”郭國平說。
逢山開路，遇水架橋。量子芯片、量子計算測控一體機、量子操作系統(tǒng)、量子軟件、量子計算云平臺……為造出中國人技術(shù)自主可控的量子計算機，本源量子建設(shè)了量子芯片制造封裝和量子計算機組裝測試兩大實驗室，完成了從芯片到整機軟硬件的全棧式開發(fā)。
“每一項研發(fā)都要從零做起，意味著巨大的挑戰(zhàn)。”郭國平說。
“實現(xiàn)國產(chǎn)自主研發(fā)量子計算機決不能靠商用儀器拼湊，我們需要造出量子計算機真正需要的控制系統(tǒng)。”孔偉成對本報記者說。
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研制成功。該量子測控一體機不僅能最大程度發(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)工程化量子計算機原型機本源悟源上線發(fā)布，2021年，中國第一臺量子計算機交付中國用戶使用。
“想要搭建一個可以使用的量子計算機，不僅要去項目現(xiàn)場，還要調(diào)動幾乎所有的團隊資源。”孔偉成說，那一年，他幾乎都是在研發(fā)平臺和外地兩頭跑。
“到了最后一個月，整個團隊基本就沒有休息過，還有大量未攻克的難題。”孔偉成回憶道，“上線前3個小時，我們修復(fù)了最后一個漏洞，系統(tǒng)正常運行起來。那天我只睡了1個小時，但完成上線時，心里是滿滿的成就感，更有作為中國人的自豪感。”
這臺交付的量子計算機，使得中國成為世界上第三個具備量子計算機整機交付能力的國家。
2021年，中國自主研發(fā)的量子計算機操作系統(tǒng)本源司南誕生。
自此，中國科研團隊開發(fā)出中國第一套量子計算機測控系統(tǒng)和操作系統(tǒng)、上線中國第一個搭載量子計算機真機的量子計算云平臺、研發(fā)出中國首個自主量子芯片設(shè)計軟件——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)量子計算機“本源悟空”上線運行，并向全球用戶限時免費開放。“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計算比特量子芯片、中國首套量子計算測控系統(tǒng)、中國首款量子計算機操作系統(tǒng)。
這是中國量子算力首次大規(guī)模、長時間向全球開放，標志著中國正式進入量子算力“可用”時代，也意味著中國自主超導(dǎo)量子計算機制造鏈已然“成鏈”。
孔偉成介紹，新機器匹配了本源第三代量子計算測控系統(tǒng)“本源天機”，實現(xiàn)了國內(nèi)首次量子芯片的批量自動化測試，使量子計算機整機運行效率提升數(shù)十倍。
除了硬件，“本源悟空”還搭載了中國首個量子計算機操作系統(tǒng)——本源司南3.0版本。操作系統(tǒng)研發(fā)團隊負責(zé)人竇猛漢告訴本報記者，這一系統(tǒng)在國內(nèi)首次實現(xiàn)了對量子計算任務(wù)批處理的支持，不但能夠支持量超協(xié)同計算，還可高效調(diào)度量子計算資源，大幅提升量子計算機整機運行效率。
今年5月，量子計算機“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，實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。
量子芯片是“量子計算大腦”，需要在接近絕對零度的極低溫環(huán)境中運行。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確傳輸信號，又能隔絕熱量，為“量子計算大腦”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，并實現(xiàn)了該模組的國產(chǎn)化。”安徽省量子計算工程研究中心副主任、“本源悟空”量子芯片研制團隊負責(zé)人賈志龍說，“這對中國超導(dǎo)量子計算機的產(chǎn)業(yè)化有積極作用。”
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)量子計算機關(guān)鍵設(shè)備——本源SL1000國產(chǎn)稀釋制冷機在合肥成功升級下線，標志著中國在稀釋制冷領(lǐng)域已達國際先進水平。
“截至8月16日，‘本源悟空’已吸引全球范圍內(nèi)125個國家近1400萬人次訪問，成功完成超25.2萬個運算任務(wù)。”安徽省量子計算工程研究中心副主任、“本源悟空”云服務(wù)研制團隊負責(zé)人趙雪嬌對本報記者說。
傳承
量子“馬拉松”任重道遠
“量子計算機怎么用？”“中國的量子計算機是怎樣造出來的？”“‘悟空’為何有這么多線？”……6月1日，在本源量子的量子計算機組裝與測試實驗室，30多名來自合肥當(dāng)?shù)刂袑W(xué)和小學(xué)的學(xué)生圍著量子計算機群好奇發(fā)問。
當(dāng)日，由安徽省少工委、安徽省量子計算工程研究中心聯(lián)合舉辦的首次“中國自主量子計算機群開放授課活動”在本源量子量子計算機組裝與測試實驗室舉行。少先隊輔導(dǎo)員代表老師舒會麗和孔偉成共同用中國自主量子計算機真機為孩子們講授了一堂生動的量子計算科普課。
“同學(xué)們，我們面前的這個‘大家伙’就是中國第三代自主超導(dǎo)量子計算機‘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，而量子計算機‘本源悟空’有72量子計算比特，寓意中國自主量子計算機如孫悟空般強大。這臺量子計算機，是中國幾代科學(xué)家奮斗數(shù)十年的結(jié)果。”
在“本源悟空”等5臺中國自主超導(dǎo)量子計算機群前，兩位老師用通俗易懂的語言向青少年解釋量子計算知識，回答了中國為什么要有自己的量子計算機等問題，鼓勵小朋友們從小努力學(xué)習(xí)科技知識，樹立科技自立自強志向，將來用科技報效祖國。
“安徽是中國最先開始量子計算研究及產(chǎn)業(yè)化的省份，在國外量子計算發(fā)達國家已開設(shè)量子計算高中課程的國際背景下，我們要積極探索中國量子計算科普教育的新方法、新路徑。”趙雪嬌說，“目前中國量子計算人才僅千人左右，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》，將量子計算機納入科技創(chuàng)新2030—重大項目。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。
在量子計算機工程之路上，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)第一家量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。截至2024年7月，超100家企業(yè)、高校等機構(gòu)加入聯(lián)盟，涉及航空航天、大數(shù)據(jù)、先進計算、金融等領(lǐng)域。
時至今日，中國已牢固確立量子計算研究國際第一方陣地位，并成為世界上第三個可以交付量子計算機整機的國家。
在郭國平看來，量子計算是一門艱深的學(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)。“這場量子計算的全球競爭，本質(zhì)上更像一場馬拉松，任重道遠。”郭國平說。
記者 徐 靖 楊俊峰
《 人民日報海外版 》( 2024年08月20日 第 05 版)