“本源悟空”：中國最新款量子計(jì)算機(jī)

2024年1月6日，我國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上線運(yùn)行。隨后，“本源悟空”向全球用戶限時(shí)免費(fèi)開放，接收量子計(jì)算任務(wù)，吸引了125個(gè)國家超千萬人次訪問。截至目前，“本源悟空”已完成25萬多個(gè)項(xiàng)目。

“本源悟空”量子計(jì)算機(jī)搭載的是72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”。它真的有如孫悟空般強(qiáng)大的本領(lǐng)嗎？它攻克了哪些技術(shù)難關(guān)？有哪些實(shí)際應(yīng)用？

中國造量子計(jì)算機(jī)已被“用起來”

上線數(shù)月，“本源悟空”用戶任務(wù)需求仍在不斷增長排名前三的國家有美國、加拿大和日本，且已收到付費(fèi)運(yùn)算請求。

“本源悟空”研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭國平曾說：“科技自立自強(qiáng)不只是發(fā)論文做實(shí)驗(yàn)，而是要研發(fā)并制造出一個(gè)個(gè)科技產(chǎn)品，讓經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場能用，讓國家重大需求有科技解決方案。我們要造中國自主量子計(jì)算機(jī)，讓中國量子計(jì)算機(jī)參與國際經(jīng)濟(jì)合作。”

2024年4月，“本源悟空”成功裝備了國內(nèi)首個(gè)PQC（Post Quantum Cryptography，后量子密碼）“抗量子攻擊護(hù)盾”——PQC混合加密方法。這使得“本源悟空”能更好地抵御其他量子計(jì)算機(jī)的攻擊，確保運(yùn)行數(shù)據(jù)安全，也是中國數(shù)據(jù)安全新技術(shù)應(yīng)用的一次重要探索。

現(xiàn)在，“中國造”量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”已上線多款真機(jī)應(yīng)用，涉及金融科技、量子人工智能、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，用戶登錄本源量子計(jì)算云平臺(tái)即可使用，升級版的“本源悟空2號”也在加速攻關(guān)中……

這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的“心臟”，叫“悟空芯”

“本源悟空”搭載72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”，由本源量子計(jì)算科技（合肥）股份有限公司（簡稱“本源量子”）團(tuán)隊(duì)研制而成，是目前我國最先進(jìn)的可編程、可交付超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

生產(chǎn)線上的“悟空芯”誕生記——

“悟空芯”由中國首個(gè)自主量子芯片設(shè)計(jì)軟件本源坤元Q-EDA設(shè)計(jì)。

“悟空芯”采用了72個(gè)計(jì)算量子比特的設(shè)計(jì)方案，還包含126個(gè)耦合器量子比特，共198個(gè)量子比特。

“悟空芯”在我國第一條量子芯片生產(chǎn)線上誕生。這條生產(chǎn)線導(dǎo)入了量子芯片激光退火儀、量子芯片無塤探針臺(tái)等自主研發(fā)的量子芯片工業(yè)母機(jī)設(shè)備。

一塊“悟空芯”制造出來要經(jīng)過上百個(gè)工藝步驟，其中有許多光刻過程。光刻就是將光刻板上的圖案映射到芯片上，定義芯片想要的結(jié)構(gòu)，它是非常重要的步驟。同時(shí)，“悟空芯”對環(huán)境要求很高，正常工作溫度在20毫開爾文左右，接近“絕對零度”（-273.15℃），在這個(gè)溫度下用到的所有物料都要經(jīng)過計(jì)算、論證、測試和批量驗(yàn)證，全部測試合格后才能使用。

量子計(jì)算機(jī)不是一臺(tái)，而是一群

在本源量子計(jì)算機(jī)組裝與測試實(shí)驗(yàn)室里，5臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)一字排開，“本源悟空”是其中的一臺(tái)。《西游記》中孫悟空吹出毫毛可以“變”出孫悟空，在這里，一群量子計(jì)算機(jī)是我國自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造鏈“造”出來的。

量子計(jì)算機(jī)整機(jī)包含量子芯片、量子計(jì)算測控系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等。“本源悟空”這四個(gè)方面目前均自主可控，國產(chǎn)化率已超過80%，其余部件已自研備用。

量子芯片“悟空芯”是“量子計(jì)算大腦”，需要在-273.12℃或更低的極低溫環(huán)境中運(yùn)行。高密度微波互連模組猶如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為“量子計(jì)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。在這一模組中，有一根至關(guān)重要的“線”：極低溫特種高頻同軸線纜。這根線曾一度被國外壟斷，導(dǎo)致采購價(jià)格高昂。本源量子研制團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中電科40所攻關(guān)研制出國產(chǎn)高密度微波互連模組，在極低熱泄漏環(huán)境下實(shí)現(xiàn)微波信號的跨溫區(qū)穩(wěn)定傳輸，讓量子芯片能夠發(fā)揮出更強(qiáng)大的計(jì)算能力。

“本源悟空”搭載了中國首個(gè)自主量子計(jì)算測控系統(tǒng)“本源天機(jī)”。量子計(jì)算測控系統(tǒng)能夠提供量子芯片所需的精密信號的生成、采集、控制與處理，使得量子芯片最大程度發(fā)揮其性能優(yōu)勢，在量子計(jì)算機(jī)中不可或缺。“本源天機(jī)”在國內(nèi)首次真正落地了量子芯片的批量自動(dòng)化測試。

“本源悟空”搭載了中國首個(gè)量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)“本源司南”3.0版本。操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)軟硬件的“大管家”，也是決定其性能的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。一個(gè)好的操作系統(tǒng)，可以統(tǒng)一調(diào)度管理計(jì)算資源，讓量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行更加高效、穩(wěn)定。“本源司南”在國內(nèi)首次支持量子計(jì)算任務(wù)批處理，能夠支持量超協(xié)同計(jì)算，可高效調(diào)度量子計(jì)算資源，使量子計(jì)算機(jī)整機(jī)運(yùn)行效率提升數(shù)十倍。

在“本源悟空”研制過程中，稀釋制冷機(jī)、高密度微波互連模組、量子芯片生產(chǎn)工業(yè)母機(jī)設(shè)備等一臺(tái)臺(tái)關(guān)鍵部件誕生，我國超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)自主制造鏈基本成形。

中國自主量子計(jì)算機(jī)發(fā)展經(jīng)歷多代科學(xué)家接力

1998年，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦正在籌辦“量子通信和量子計(jì)算”香山科學(xué)會(huì)議。為了擴(kuò)大會(huì)議影響，想邀請一位“大人物”來主持會(huì)議，這位“大人物”就是“兩彈一星”元?jiǎng)族X學(xué)森。

在致錢學(xué)森的信中，郭光燦院士大膽建議“要拿出當(dāng)年搞‘兩彈一星’的精神來搞量子信息”，并熱切邀請錢學(xué)森主持會(huì)議。沒過多久，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(diǎn)，認(rèn)為“我國應(yīng)集全國力量xVh4u0HVdZJTFucEPVJs6XBrpUXKGFt6yimbftRVe6g=攻克量子信息系統(tǒng)的技術(shù)問題”。盡管錢學(xué)森因身體原因未能參會(huì)，但他的支持如曙光一般照亮了中國量子科學(xué)研究的前程。

從那時(shí)起，郭光燦院士開始申請相關(guān)研究項(xiàng)目。2001年，他獲得了我國首個(gè)量子信息領(lǐng)域的國家級重大項(xiàng)目資助。2010年，郭光燦院士的學(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(xiàng)首席科學(xué)家。

超級未來“工業(yè)加速器”

在量子計(jì)算機(jī)賽道，國際科技競爭已經(jīng)白熱化。各國為何如此重視量子計(jì)算機(jī)？因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)是一個(gè)超級未來“工業(yè)加速器”，有諸多優(yōu)勢。

優(yōu)勢1：和穩(wěn)定運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)對比，現(xiàn)有最快的算力只如同一把“算盤”。2023年，谷歌做了一項(xiàng)對比測試，同一運(yùn)算問題谷歌量子計(jì)算機(jī)用時(shí)3分鐘，最快超算可能需要用時(shí)約50年。

優(yōu)勢2：量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力可以快速找到一個(gè)自然界并不存在的分子結(jié)構(gòu)，從而幫助藥企縮短新藥研發(fā)時(shí)間，使其藥品研發(fā)能力在全球獲得競爭優(yōu)勢。

優(yōu)勢3：量子計(jì)算機(jī)可以作為超級計(jì)算機(jī)的加速組件，將計(jì)算任務(wù)在量子計(jì)算機(jī)和超級計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行分解、調(diào)度和分配，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)和超級計(jì)算機(jī)的高效協(xié)同，可以在大幅節(jié)約資源的情況下，雙向發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)和超級計(jì)算機(jī)各自的優(yōu)勢。

研發(fā)故事

中國最早的量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)成立，一名團(tuán)隊(duì)成員以自己一生的工資為抵押，貸出了800萬元研究經(jīng)費(fèi)，起步中國量子計(jì)算研究。

為了找出最好的量子芯片封裝盒，研究人員需要在眾多封裝盒中篩選，而72比特量子芯片封裝盒有接近300個(gè)端口，每個(gè)端口都要測試5次以上，一個(gè)封裝盒就要測1500次。封裝盒，僅僅是“本源悟空”研制中的一個(gè)環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的。“本源悟空”研制經(jīng)費(fèi)每年投入過億，雖然過程很艱難，但研制團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持中國的量子計(jì)算機(jī)核心技術(shù)一定要牢牢掌握在中國人自己手里。

知識鏈接

量子計(jì)算

第一次量子革命伴隨量子力學(xué)的誕生而來，讓我們擁有了原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛(wèi)星定位等重大技術(shù)。當(dāng)前，人類社會(huì)正進(jìn)入第二次量子革命，其中最重要的技術(shù)就是量子計(jì)算，這是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。

量子計(jì)算如果得到普遍應(yīng)用，量子算力將以指數(shù)級增長，為人類社會(huì)帶來翻天覆地的變化。例如，現(xiàn)行的公鑰密碼體系在算力足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)面前，將會(huì)像一張白紙被輕易攻破；耗時(shí)動(dòng)輒數(shù)十年的新藥研發(fā)，引入量子算力后，有可能在幾天內(nèi)完成……

作者單位 本源量子計(jì)算科技（合肥）股份有限公司

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