“半導(dǎo)體量子芯片”首席科學(xué)家郭國平：為中國“量子算力”奮斗

代群 徐海濤 陳諾

眾所周知，量子計算機的研制是世界難題，全球最聰明的腦袋都在為研制出可用的量子計算機而上下求索。然而，郭國平注意到，國內(nèi)對量子計算的研究還停留在學(xué)校和科研院所的實驗階段，缺乏對科研技術(shù)市場產(chǎn)業(yè)化的考量。

單比特、兩比特、三比特、六比特……比特數(shù)增長的每一步，對中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、國家重大研究計劃“半導(dǎo)體量子芯片”首席科學(xué)家郭國平與團隊來說，都是量子計算研究領(lǐng)域的一大步。他們多年追逐量子中國夢，實現(xiàn)零的突破，跟上國際先進科研機構(gòu)的節(jié)奏。

在郭國平看來，量子計算機的研制、開發(fā)和應(yīng)用是一項意義重大的“科學(xué)技術(shù)工程”，它既包括基礎(chǔ)原理的研究和論證，也需要大量的工程技術(shù)積累，并且隨著時間的推移，工程技術(shù)工作所占的比率和重要性都會迅速增大——比如芯片和計算機架構(gòu)、半導(dǎo)體工藝、微電子工程技術(shù)、量子算法和量子軟件等多方面對量子計算機的研制都很重要。

郭國平說，研究量子計算就像“用一個一個原子壘起一座金字塔”一樣難，但為了中國早日有“量子算力”，他愿為此奮斗終生。

一位“科技青年”的報國理想

在蒸汽機時代，馬力就是國力；在信息時代，算力就是國力。

中國，一定要有自己的“量子算力”！15年前，一位在國內(nèi)接觸量子算力的大學(xué)生開始萌發(fā)心中的理想。

1977年出生的郭國平是江西南昌人，1996年考入中科大。在這里，他接觸到著名量子信息學(xué)家郭光燦的研究團隊，開始學(xué)習(xí)量子光學(xué)，從事量子通信及量子信息器件研究。

2005年，郭國平因為量子通信科研成果獲得中科院院長特別獎，同年獲得中科大博士學(xué)位并留校。但是，他做出了一個“很傻”的決定，放棄已經(jīng)做得風(fēng)生水起的量子通信研究，改做量子計算。

20世紀80年代，諾貝爾獎獲得者理查德？費曼等人提出構(gòu)想，基于兩個奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏構(gòu)建“量子計算”。相較于電子計算機，量子計算機理論上的運算能力將有幾何級數(shù)的增長，被認為是下一代信息革命的關(guān)鍵動力。

“那時候我被認為是‘愣頭青。量子計算當時在國內(nèi)的基礎(chǔ)近乎空白，與先發(fā)國家差距巨大，研究很花錢，又難出論文。”郭國平說，他愿做“愣頭青”，因為“這個東西對國家太重要了”。

從芯片設(shè)計到納米加工、檢測、軟件編程，量子計算機涉及物理、機械、軟件等多個學(xué)科。在導(dǎo)師支持下，郭國平建立了半導(dǎo)體量子芯片研究組，競爭國際量子計算的制高點。

經(jīng)過艱苦努力，研究組在國內(nèi)首次實驗實現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，并先后實現(xiàn)了基于半導(dǎo)體的單比特、兩比特、三比特量子計算。

為國之算力聚集量子團隊

近年來，量子計算研究進展迅速，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展剛起步。“由于缺乏對口的企業(yè)，我們早期畢業(yè)的博士生可謂‘畢業(yè)就失業(yè)。”郭國平的第一個博士生張輝說，他畢業(yè)后在上海從事金融相關(guān)的工作。

人才的流失、產(chǎn)業(yè)的缺位，讓郭國平坐不住了。

2017年，40歲的郭國平駛上了又一段人生新航道，在實驗室里二次創(chuàng)業(yè)辦起公司——合肥本源量子計算科技有限責(zé)任公司。“本源量子”寓意“量子技術(shù)追溯科技本源”。

在郭國平看來，量子計算機的研制、開發(fā)和應(yīng)用是一項意義重大的“科學(xué)技術(shù)工程”，它既包括基礎(chǔ)原理的研究和論證，也需要大量的工程技術(shù)積累，并且隨著時間的推移，工程技術(shù)工作所占的比率和重要性都會迅速增大——比如芯片和計算機架構(gòu)、半導(dǎo)體工藝、微電子工程技術(shù)、量子算法和量子軟件等多方面對量子計算機的研制都很重要。

“這些看似工程技術(shù)性質(zhì)的問題，反過來可能又需要從基本理論方面進行創(chuàng)新才能解決。所以，這一項大工程需要多種不同學(xué)科、不同產(chǎn)業(yè)方向的融合與協(xié)作、共同努力，單靠學(xué)校實驗室科研團隊的努力是不夠的，還需要企業(yè)這樣可以通力解決技術(shù)和工程難題的主體存在。”郭國平認為，企業(yè)的介入可以讓工程技術(shù)團隊與基礎(chǔ)科學(xué)研究團隊共同工作協(xié)調(diào)攻關(guān)，將極大地推動量子計算機的研制速度和效率。“正因如此，才有了國內(nèi)首家主營量子計算機的研制、開發(fā)和應(yīng)用業(yè)務(wù)的公司——本源量子。”

“本源創(chuàng)立之初就是肩負國家使命和個人的情懷理想。我們希望在量子計算上，能夠為國家搶到足夠多的核心專利，讓中國能夠在全球量子計算科研領(lǐng)域占有一席之地，能夠緊跟國際領(lǐng)先的科技步伐。”郭國平說。

公司初創(chuàng)期間，資金匱乏時，郭國平賣掉自己的一套房子保住公司；公司走上正軌后，郭國平名下股份估值近億元人民幣，他將這些股份無償分給研發(fā)團隊的年輕人。

如同一顆磁石，本源吸引來了投資，更吸引了一批與張輝一樣的量子專業(yè)畢業(yè)生回歸。團隊從2017年的10余人，到如今的上百人，研發(fā)人員占比超過75%，研究生學(xué)歷人才超40%。

“人才是本源量子最大的優(yōu)勢，也是量子計算領(lǐng)域最重要的資源。量子力學(xué)有兩個概念叫‘糾纏和‘相干，我跟學(xué)生說，你們現(xiàn)在散落在全球各個地方，有一天我們會‘再糾纏，永相干，希望你們都能‘若有戰(zhàn)，召必回。”郭國平說。

目前，量子計算正在經(jīng)歷早期應(yīng)用飛速發(fā)展的階段，在本源量子成立三年的時間里，郭國平感受到，人們對量子計算的興趣愈發(fā)濃厚。去年9月，在郭國平帶領(lǐng)下，團隊自主研發(fā)六比特超導(dǎo)量子計算云平臺正式上線，全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務(wù)。

現(xiàn)在沒有真正意義上的量子計算機

量子計算突破了摩爾定律？對此，郭國平認為摩爾定律是一個經(jīng)濟學(xué)定律，而且描述的是集成電路的一個發(fā)展規(guī)律。量子不是靠硬件上的疊加或者是并行來實現(xiàn)的，所以它們不是同一個東西。當然量子里面也會有它自身的一些定律。

在他看來，“量子計算之所以神奇，或者說我之所以認為它是一門學(xué)科，是源于它的物理學(xué)基礎(chǔ)，即量子態(tài)的特性。以一個比特為例，在量子里面，這一個比特可以處于0和1任意比例疊加的狀態(tài)，相位也是可以調(diào)控的狀態(tài)。在經(jīng)典計算的一個比特中，它只能夠處于0或者是1。而在量子里面，一個比特可以有一半的機率是0，另外一半的機率是1。這也是可以把量子的原理和薛定諤的貓聯(lián)系在一起的原因。量子力學(xué)、量子計算的優(yōu)越性，在于量子疊加的狀態(tài)。量子糾纏其實也是多比特的量子態(tài)疊加的結(jié)果，量子疊加才是根本性質(zhì)。”

郭國平認為，現(xiàn)在沒有真正意義上的量子計算機。在經(jīng)典計算機里面，我們大多數(shù)討論的是物理比特，但是真正的量子計算機實際上是邏輯比特。邏輯比特跟物理比特的差距就是，物理比特是會有錯誤率的，比如說萬分之一，甚至是千分之一。用一個或多個物理比特編碼才能夠形成真正的比特，也就是邏輯比特。所以從這個概念來看，目前無論是國內(nèi)、國外，他們做的基本上還是停留在物理比特的階段，當然現(xiàn)在已經(jīng)在嘗試邏輯比特。所以，我們說，現(xiàn)在還沒有真正的量子計算機。

永不言棄

切割硅基板、在長寬不到一厘米的芯片板上焊線、芯片樣品檢測分析……出自郭國平團隊之手的第一代超導(dǎo)量子芯片被命名為“夸父”。逐夢的故事每天都在上演。

這幾年，哪怕是節(jié)假日，郭國平不是在實驗室，就是在去往實驗室的路上。在他看來，如今每一分每一秒都彌足珍貴。目前，世界多國在研制量子計算機，這是一條無形的賽道，都在朝著實現(xiàn)通用型量子計算機的目標努力。

量子計算機目前遇到的問題除了制造上的難度，還在于現(xiàn)在人們?yōu)榱孔佑嬎銠C編寫的應(yīng)用程序太少。郭國平認為，持續(xù)為量子計算機設(shè)計算法、編寫程序，是推動量子計算機廣泛應(yīng)用的一個不可或缺的因素。因此，本源量子提供“應(yīng)用定制服務(wù)”，為各行業(yè)的應(yīng)用進行“量子賦能”。

“我們提供的定制化應(yīng)用可以在任何量子計算機上運行，一旦量子計算機生產(chǎn)成功，各行業(yè)就可立即將應(yīng)用對接，享受量子計算機帶來的強大計算能力。”郭國平說，本源量子計劃與學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界等合作，培育一批面向各行業(yè)的量子計算時代的量子軟、硬件開發(fā)者，共同建立和拓展量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。

合力，此時顯得尤為迫切。郭國平覺得，量子計算機的研發(fā)，需要多種不同學(xué)科、不同產(chǎn)業(yè)方向的融合協(xié)作，全社會的共同努力。只有越來越多不同行業(yè)的企業(yè)加入研發(fā)，才能讓量子計算有更多應(yīng)用場景，從而極大地推動量子計算機的研制效率。基于這一初衷，本源量子構(gòu)建了量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，與金融、生物制藥、化學(xué)材料、人工智能等產(chǎn)業(yè)開展合作。

“我相信，量子計算最終可以服務(wù)于我們的衣、食、住、行、醫(yī)。”談及未來，郭國平眼里有光：量子計算能夠擴展科學(xué)界對分子結(jié)構(gòu)和特性進行模擬的能力，有望為新一代藥物和疫苗研發(fā)、新材料的設(shè)計、智能制造等模擬設(shè)計提供更強大的工具。

目前，他們已在研發(fā)下一代超導(dǎo)量子芯片與量子計算機控制系統(tǒng)，預(yù)計今年推出第二代20比特的“悟源”超導(dǎo)量子計算機，未來兩年內(nèi)實現(xiàn)50比特到100比特的量子計算機。

“我們目前取得的成績，只是‘萬里長征走出的一小步。”郭國平說。“但是，正如蒸汽機第一次被裝在馬車上，誰能想到它孕育著改變世界的力量。”