量子測控一體機：量子計算機小型化的第一步

回顧計算機發展史，電子計算機在20世紀50年代剛剛被發明出來時體積巨大，首台電子計算機「ENIAC」佔地170多平方米，發展至今才成為可以握在手中的設備。眼下，正處於起步階段的量子計算機，似乎也在重複當年的故事——要實現對量子晶元的精準操控，需動用的儀器設備也要佔滿整個房間。

以史為鑒，量子計算機的小型化勢在必行。

今天，這一歷史進程正在上演。最近，來自中科院量子信息重點實驗室的研究團隊從量子計算機的外設硬體設備入手，研製了一套精簡、高效的量子計算機控制系統——「量子測控一體機」，並將其「控制系統」的功能集成在一台行李箱大小的儀器之中，踏出了量子計算機小型化的第一步。

這套系統具有「小型化、專業高效、國產化水平較高」等特點，中科院量子信息重點實驗室副主任郭國平對《中國科學報》說：「這是國內量子計算領域前進的重要一步。」

自主研發

量子計算機控制系統，是指除量子晶元之外量子計算機所有的外部硬體，類似於經典計算機的主板、內存、存儲器、電源等一系列部件的總稱。

「量子計算是新興產業，國外發展較早，但科學家們關注更多的是量子晶元的性能提升，而忽視其控制系統的更新迭代。」郭國平告訴記者，大部分致力於量子晶元研究的團隊都是用現有的設備搭建控制系統，但這樣成本高且效率低。因此，研發專門針對量子計算的優化控制設備，就顯得迫在眉睫。

郭國平介紹說，為了滿足量子計算實驗研究的需要，以中科院院士郭光燦領銜的量子計算研究團隊很早便開始嘗試量子計算機控制系統的搭建。後來，由該團隊創立的、致力於推動量子計算機走嚮應用的我國第一家量子計算公司——「本源量子」成立，量子計算機控制系統的研發也就成了本源量子的重要研發項目。

「我們專門設立一個部門來開展相應的研發工作。」郭國平說，在此前技術積累的基礎上，機制更靈活的本源量子很快組織工程師團隊進行技術攻關和系統研發，切切實實地在工程上建成了這一設備。

經過不斷的技術摸索及實驗測試，我國首台自主研發的量子計算機控制系統於2018年12月正式亮相。郭國平向記者表示，自發布後，有多個研究院所聯繫其團隊詢問量子測控一體機的相關情況。

一專多能

量子測控一體機最基本功能是提供量子晶元運行所需的關鍵信號，同時負責對量子晶元傳回信息的處理，並執行對量子計算機程序的編譯。也就是說，量子測控一體機通過提供量子晶元的運行環境與介面，提供量子晶元所需的精密信號的生成、採集、控制與處理，使得量子晶元最大程度發揮其性能優勢。

記者了解到，量子測控一體機採用模塊化設計，當前發布的版本包含四種功能模塊，總計40個功能通道，功能通道之間通過PCIE高速擴展匯流排互連、實現一體化，可直接支持8位超導量子晶元或者2位半導體量子晶元。在使用過程中，還可以將其升級至最多200通道，以支持更高性能的量子晶元。

郭國平透露，目前其團隊已經開發了半導體2比特量子晶元以及超導6比特量子晶元，這兩種工藝路線均在量子測控一體機上得到良好支持。

「目前本源量子可提供多種版本的量子測控一體機，支持超導與半導體量子晶元，這也是世界上首台可以同時支持兩種不同固態量子計算技術路線的集成化測控設備。」郭國平告訴《中國科學報》，「同時，我們正在研製適用於離子阱、金剛石、NEMS等更多量子物理體系研究需要的系統級方案以及獨立功能模塊。」

本源量子公司董事長、量子測控部總監孔偉成介紹說，量子測控一體機將主要應用於量子晶元的測試研究與量子計算機的原理搭建等場景，此外，其本身作為高端儀器儀錶，還可應用於精密測量、基礎科學研究、雷達探測等更廣泛的領域中。

優勢多多

郭國平告訴《中國科學報》，量子測控一體機的核心指標以及模塊設計均由其技術團隊獨立研發而成，模塊設計採用的是「完全多功能一體化方式」，這與當今發布的其他幾款由商用儀器搭建的量子計算機控制系統有明顯區別。

郭國平對記者說，當前由於我國高端儀器儀錶嚴重依賴進口，傳統的量子計算控制系統多使用國外進口商業儀器搭建，成本高昂（超千萬元）且功能冗餘、兼容性差；而專門針對量子晶元設計的量子測控一體機，不僅功能專精、性能優異，成本也可節約一半以上（批量生產成本仍有下降空間）。

「這套設備的優勢主要來自於高度的集成化，相當於把很多台不同功能的設備融合到一台設備中去，專為量子計算優化設計，從而帶來功能上的專精、性能上的優勢，精度更高、速度更快、成本更低，儀器佔用空間小並且方便運攜。」基於此，郭國平說，「我們認為小型化、集成化是量子測控設備發展的趨勢，終究會替代原來的系統。」

郭國平告訴《中國科學報》，這也是量子計算走向商業化所必須經過的關鍵環節。「量子計算機控制系統是搭建量子計算機的重要部分，其小型化之路將會推動量子計算機朝著集成度更高的方向發展，這是未來量子計算機發展的趨勢。」

此外，郭國平對記者表示，目前量子測控一體機的一些元部件已經國產化，在其可應用的多個領域，高端儀器依賴進口的局面或將改善。

推動量子計算機研發

值得一提的是，量子測控一體機還將隨著量子晶元的發展而迭代。「隨著晶元位數的提高，其對控制系統的要求也相應提高。」郭國平告訴記者，這其中有不少挑戰：必須滿足量子晶元對於信號生成、採集的指標需求， 滿足量子晶元在運行時對信號控制與處理的指標需求；在利用量子晶元實現量子信息處理應用時，從量子計算機控制系統不同信號介面處輸入輸出的信號需要滿足更加嚴格的邏輯關係。

「我們需要對量子晶元運行時的一切指標需求進行嚴格的考核論證，理解量子信息處理的本質以及實際工作方式，以便針對性地研發滿足指標的量子計算機控制系統，這是一個技術難點。」郭國平說道。

孔偉成則表示，未來本源量子研發團隊將對量子測控一體機進行持續改進升級，使其向著集成度更高、信號指標更高、模塊化獨立產品、量子計算機彙編語言等多個方向優化，並滿足更多位數量子晶元的測控需求。

量子測控一體機的研發，也將大大推動量子計算機的研發進程。

「量子測控一體機的研發成功，使得我們可以進入到整個量子計算機系統的集成工作中來。這個過程需要一些時間，除了硬體上的適配和調試之外，包括控制程序、量子演算法程序等軟體相關的調試也都在緊張地進行之中。」郭國平對記者說，調試完成之後還要進行一段時間的運行測試，以確保整個系統的正常、可靠運行，同時也會給下一步的研發提供相關數據。

而對於何時推出量子計算機樣機，郭國平表示，「我們會根據各個集成測試模塊的進度來調整工作內容的安排」。他強調，量子計算機的研發是一個長期的工作，這裡面包含「開發—測試—迭代開發」這樣不斷向前演進的研發周期。「我們今年內計劃完成幾個階段性的開發和測試工作；在合適的時機，我們會推出量子計算機樣機。」

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