關鍵組件實現國產——“造出中國人自己的量子計算機”

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着科技的光芒，星羅棋佈的排線有條不紊地輸送着電流和信號，發光的芯片與遠處牆上“造中國自主可控量子計算機”的標語遙相呼應，散熱器嗡鳴聲匯成的交響樂在一塵不染的實驗室裡迴盪不息……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。

量子計算機是實現量子計算任務的物理裝置。與經典計算機相比，量子計算機擁有並行性、指數級加速等優勢，計算能力異常強大，可在大數據、網絡信息安全和人工智能、新藥研發、金融工程等領域大顯身手。

“在信息時代，算力體現國力。算盤和現有計算機的算力差距，就是現有計算機和量子計算機的算力差距。”中國科學院量子信息重點實驗室副主任、中國科學技術大學教授郭國平對本報記者說，“我們在量子計算研發事業上的初心，就是造出中國人自己的量子計算機。”

經過20多年的“修煉”，中國的量子計算機發展成績亮眼。近日，本報記者走進本源量子，現場感受量子計算機的魅力。

初心

幾代科學家的接力

中國量子計算機的發展，經歷了幾代科學家的接力，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’科學會議，爲了擴大會議影響，希望邀請‘兩彈一星’元勳錢學森來主持會議。”中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦說。

在致錢學森的信中，郭光燦對發展量子信息技術的重要性做了解釋，並熱切邀請錢學森主持會議。

沒多久，郭光燦就收到了錢學森的回信。錢學森高度贊同他的觀點，認爲“我國應集全國力量攻克量子信息系統的技術問題”。

從那時起，以郭光燦爲代表的科學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：“迅速地研發出可以直接應用的國產量子計算機，並在國民經濟各個領域發揮量子計算優勢的作用，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，並不是一帆風順的。

在當時，國內的量子研究並沒有引起足夠的重視。郭光燦於1998年、1999年、2000年3次申請國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)，均以失敗告終。

面對這樣的困境，郭光燦沒有氣餒，他始終認爲絕不能錯過發展量子信息的大好機遇。後來，他成立了中國科學院量子信息重點實驗室，這是中國第一個量子信息實驗室。

初始的實驗室相當簡陋，“只有一臺386電腦，一臺針式打印機，就兩個設備。”郭光燦的一名學生回憶說，當時大家都是排着隊用設備的，誰到點了，哪怕沒算完也得換人。

功夫不負有心人，2001年，在第四次申請之後，郭光燦終於成功申請到了國家首個量子信息領域的973計劃，獲得2500萬元科研經費。該項目的實施對中國量子計算研究蓬勃發展並在國際上佔有一席之地有重要作用。

作爲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展。“中國要在世界上競爭，靠一個團隊是不行的，必須團結國內所有力量來參與競爭。”此後，郭光燦組建起了量子信息科學隊伍。這個隊伍裡，走出了郭光燦等5位中國科學院院士。

時間來到2010年，郭光燦的學生郭國平接過接力棒，擔任了“固態量子芯片研究”重大專項首席科學家。郭國平說：“絕不能在關鍵核心技術領域受制於人，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“固態量子芯片”重大項目，任首席科學家，並於2013年在“一個電子”上實現10皮秒(1皮秒等於一萬億分之一秒)級量子邏輯門運算，將原世界紀錄提高近百倍，爲實現基於半導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院量子信息重點實驗室，參與了一組公開課的錄製過程。當時，擔任量子信息重點實驗室主任的郭光燦進行授課，作了一場名爲《來自量子世界的新技術》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。

“爲國家研發自己的量子計算機，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”，孔偉成常這樣想。現在，在量子計算機領域鑽研10多年的孔偉成已經成長爲安徽省量子計算工程研究中心副主任、“本源悟空”硬件研製團隊負責人。

2017年，郭國平領銜創辦了中國首家量子計算機產業化企業——本源量子，致力於中國量子計算的工程化和產業化。作爲本源量子團隊成員，郭光燦與郭國平帶領中國科學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，擔任量子計算測控系統和整機組裝研發工作。

技術

關鍵組件實現國產

“超導量子計算機產業鏈有多個關鍵點，芯片、測控系統、製冷系統、軟件及操作系統。”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、量子軟件、量子計算雲平臺……爲造出中國人技術自主可控的量子計算機，本源量子建設了量子芯片製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。

“每一項研發都要從零做起，意味着巨大的挑戰。”郭國平說。

“實現國產自主研發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。”孔偉成對本報記者說。

2018年12月，完全自主知識產權的首款國產量子測控系統——本源量子測控一體機研製成功。該量子測控一體機不僅能最大程度發揮量子芯片性能，還能應用於精密測量等更廣泛的科研領域，填補了國內在量子測控領域的空白。

2020年9月，首臺國產工程化量子計算機原型機本源悟源上線發佈，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，不僅要去項目現場，還要調動幾乎所有的團隊資源。”孔偉成說，那一年，他幾乎都是在研發平臺和外地兩頭跑。

“到了最後一個月，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，我們修復了最後一個漏洞，系統正常運行起來。那天我只睡了1個小時，但完成上線時，心裡是滿滿的成就感，更有作爲中國人的自豪感。”

這臺交付的量子計算機，使得中國成爲世界上第三個具備量子計算機整機交付能力的國家。

2021年，中國自主研發的量子計算機操作系統本源司南誕生。

自此，中國科研團隊開發出中國第一套量子計算機測控系統和操作系統、上線中國第一個搭載量子計算機真機的量子計算雲平臺、研發出中國首個自主量子芯片設計軟件——本源坤元Q—EDA……從硬件、軟件、人才和產業方面提高中國量子計算原始創新能力。

今年1月6日，由本源量子公司研製的中國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”上線運行，並向全球用戶限時免費開放。“本源悟空”的國產化率超過80%。其搭載了中國首條量子芯片生產線上生產的72計算比特量子芯片、中國首套量子計算測控系統、中國首款量子計算機操作系統。

這是中國量子算力首次大規模、長時間向全球開放，標誌着中國正式進入量子算力“可用”時代，也意味着中國自主超導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“本源天機”，實現了國內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——本源司南3.0版本。操作系統研發團隊負責人竇猛漢告訴本報記者，這一系統在國內首次實現了對量子計算任務批處理的支持，不但能夠支持量超協同計算，還可高效調度量子計算資源，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，實現完全國產化。

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境中運行。高密度微波互連模組則如同“神經網絡”，該模組中有一根至關重要的“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，爲“量子計算大腦”與外部設備之間的量子信息傳輸建立起高速、穩定的通道。

“爲解決這一難題，我們與中電科40所聯合攻關，研製出適用於極低溫環境的高密度微波互連模組，並實現了該模組的國產化。”安徽省量子計算工程研究中心副主任、“本源悟空”量子芯片研製團隊負責人賈志龍說，“這對中國超導量子計算機的產業化有積極作用。”

這款國產高密度微波互連模組可爲超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境下實現微波信號的跨溫區穩定傳輸。

今年6月，國產超導量子計算機關鍵設備——本源SL1000國產稀釋製冷機在合肥成功升級下線，標誌着中國在稀釋製冷領域已達國際先進水平。

“截至8月16日，‘本源悟空’已吸引全球範圍內125個國家近1400萬人次訪問，成功完成超25.2萬個運算任務。”安徽省量子計算工程研究中心副主任、“本源悟空”雲服務研製團隊負責人趙雪嬌對本報記者說。

傳承

量子“馬拉松”任重道遠

“量子計算機怎麼用？”“中國的量子計算機是怎樣造出來的？”“‘悟空’爲何有這麼多線？”……6月1日，在本源量子的量子計算機組裝與測試實驗室，30多名來自合肥當地中學和小學的學生圍着量子計算機羣好奇發問。

當日，由安徽省少工委、安徽省量子計算工程研究中心聯合舉辦的首次“中國自主量子計算機羣開放授課活動”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爲孩子們講授了一堂生動的量子計算科普課。

“同學們，我們面前的這個‘大傢伙’就是中國第三代自主超導量子計算機‘本源悟空’。它的名字來自於中國神話故事裡孫悟空，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，是中國幾代科學家奮鬥數十年的結果。”

在“本源悟空”等5臺中國自主超導量子計算機羣前，兩位老師用通俗易懂的語言向青少年解釋量子計算知識，回答了中國爲什麼要有自己的量子計算機等問題，鼓勵小朋友們從小努力學習科技知識，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業化的省份，在國外量子計算髮達國家已開設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，中國未來產業的人才培養已迫在眉睫。”

從探索到研發再到傳承，中國科學家們的奮鬥軌跡，也是中國量子計算行業從無到有的縮影。

2016年8月，國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》，將量子計算機納入科技創新2030—重大項目。2021年，“量子信息”首次出現在“十四五”規劃及《政府工作報告》中。這一年起，教育部正式把量子信息科學納入本科生教育，以加快量子領域人才梯隊培養。越來越多的人才流向量子賽道，產業得以蓬勃發展。

在量子計算機工程之路上，中國科學家們不僅催生出一大批原創性成果，還牽頭組建了國內第一家量子計算產業聯盟。截至2024年7月，超100家企業、高校等機構加入聯盟，涉及航空航天、大數據、先進計算、金融等領域。

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，併成爲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突破上仍充滿挑戰。“這場量子計算的全球競爭，本質上更像一場馬拉松，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)