啟科量子發(fā)布首套國產(chǎn)ARTIQ架構(gòu)量子計(jì)算測控系統(tǒng)

3月28日，啟科量子宣布在離子阱量子計(jì)算機(jī)工程化研發(fā)上取得重大技術(shù)進(jìn)展，發(fā)布了國內(nèi)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ARTIQ架構(gòu)量子測控系統(tǒng)(QuSoil)。

第一批開放市場定制的產(chǎn)品包括：“邏輯門指令編譯模塊”、“FPGA中央處理模塊”、“下位功能組件”(“數(shù)字脈沖I/O模塊”和“數(shù)字頻率合成模塊”)。這些模塊已經(jīng)完成與AbaQ(天算一號(hào))百比特離子阱量子計(jì)算機(jī)的集成整合，勢(shì)必將大大加快啟科量子分布式離子阱量子計(jì)算機(jī)的工程化及商業(yè)化進(jìn)程。

啟科量子同時(shí)宣布，“數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊”、“模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊”、“任意波形發(fā)生模塊”、“微波信號(hào)發(fā)生模塊”、“射頻功率放大模塊”、“芯片阱接口模塊”等組件也進(jìn)入了工程定型階段，將于年底開放市場定制。

作為打破摩爾定律、實(shí)現(xiàn)算力指數(shù)級(jí)增長的新興技術(shù)，量子計(jì)算正成為全球主要國家角逐的焦點(diǎn)。量子比特是量子計(jì)算機(jī)的基本信息單元，而經(jīng)典光電控制系統(tǒng)是一種連接現(xiàn)實(shí)經(jīng)典信息系統(tǒng)和量子比特系統(tǒng)的界面，量子比特則工作在經(jīng)典光電控制系統(tǒng)的后端，雙方關(guān)系如同航空發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行控制系統(tǒng)，后者指引著前者的方向，并保駕護(hù)航。以光電測控為核心的量子測控系統(tǒng)是量子計(jì)算機(jī)的核心器件之一，是量子計(jì)算處理器穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

在實(shí)現(xiàn)量子測控系統(tǒng)的諸多方案中，ARTIQ (Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics，量子物理學(xué)高級(jí)實(shí)時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施)脫穎而出，它可以用于量子信息實(shí)驗(yàn)的尖端控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ARTIQ架構(gòu)是目前全球最先進(jìn)且使用最廣泛的量子測控系統(tǒng)，已被部署在杜克、馬里蘭、MIT、牛津、哈佛等著名大學(xué)及量子物理研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室中，同時(shí)也被美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室作為量子測控系統(tǒng)的基本架構(gòu)。

ARTIQ系統(tǒng)最初是由NIST(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)Ion Storage(離子存儲(chǔ))研究組開發(fā)的，該研究組由著名原子物理學(xué)家、2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Dave Wineland領(lǐng)導(dǎo)。他在原子物理研究中的一系列科學(xué)成就包括：利用離子阱精確地測量了電子自旋g因子(諾貝爾獎(jiǎng))、第一次實(shí)現(xiàn)了激光多普勒冷卻、利用離子阱實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)CNOT邏輯門。利用ARTIQ架構(gòu)，NIST的量子物理研究組不僅控制著世界上最準(zhǔn)確的原子鐘，也保持了世界上具有最高量子體積(Quantum Volume)(>100萬)的量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。

啟科量子通過此次發(fā)布ARTIQ系統(tǒng)提出了通用量子計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的五個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)(即五大挑戰(zhàn))：

● 能夠以極其精確的時(shí)序接收和生成至少百量級(jí)的數(shù)字和模擬信號(hào)，并確保相位相干；

● 能夠以非常低的反應(yīng)延遲完成量子糾錯(cuò)方案中的測量和控制；

● 能夠處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的量子邏輯門協(xié)議，實(shí)現(xiàn)通用量子算法；

● 能夠滿足靈活部署且可編程的需求，適應(yīng)不斷改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)硬件；

● 能夠滿足硬件、驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)分析軟件的多樣性訴求，以適應(yīng)分布式和多平臺(tái)環(huán)境。

為了應(yīng)對(duì)這五大挑戰(zhàn)，研發(fā)高效、穩(wěn)定、易控、可靠的量子計(jì)算測控系統(tǒng)是必然選擇。目前量子測控系統(tǒng)呈現(xiàn)多流派并行發(fā)展的局面，包括離子阱、中性原子、超導(dǎo)、半導(dǎo)體等。但大部分測控系統(tǒng)只能應(yīng)用單一技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)“跨界”研發(fā)，這顯然將拉長科研時(shí)間、增加成本投入，因此研發(fā)通用平臺(tái)構(gòu)架是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。ARTIQ測控系統(tǒng)則是目前唯一有望建立通用平臺(tái)構(gòu)架的體系。

ARTIQ以開源的方式作為解決方案提供給全球研究界，目前在GitHub上由M-Labs、QUARTIQ、NIST等組織進(jìn)行維護(hù)。世界各地的100多個(gè)實(shí)驗(yàn)室都采用了ARTIQ作為他們的控制系統(tǒng)。ARTIQ測控系統(tǒng)不僅用于離子阱、里德堡原子等原子型量子計(jì)算機(jī)，也迅速地?cái)U(kuò)展到超導(dǎo)量子、硅基量子點(diǎn)等量子計(jì)算機(jī)體系，以及冷原子量子陀螺、重力梯度儀、量子磁力儀等量子傳感系統(tǒng)。

業(yè)界普遍認(rèn)為ARTIQ架構(gòu)將成為集通信、計(jì)算、傳感為一體的下一代量子網(wǎng)絡(luò)基本物理測控系統(tǒng)的重要候選者。但是目前ARTIQ硬件的市場供應(yīng)由M-Labs和QUARTIQ壟斷，國內(nèi)企業(yè)在相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和著作權(quán)方面還是空白。未來如果量子計(jì)算的國際協(xié)作產(chǎn)生不確定性，將會(huì)嚴(yán)重阻礙國內(nèi)機(jī)構(gòu)利用ARTIQ架構(gòu)發(fā)展量子測控系統(tǒng)。

2017年，啟科量子首席科學(xué)家、中山大學(xué)羅樂教授發(fā)起和組織了第一屆亞太地區(qū)囚禁量子系統(tǒng)會(huì)議，提出以ARTIQ開源架構(gòu)為基礎(chǔ)，發(fā)展具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)量子測控系統(tǒng)。該會(huì)議曾邀請(qǐng)了M-Labs首席執(zhí)行官Sebastien Bourdeauducq對(duì)ARTIQ架構(gòu)進(jìn)行了深入介紹。此后中山大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院精密測量院、南方科技大學(xué)、國防科技大學(xué)、北航儀器等單位紛紛采用了ARTIQ架構(gòu)作為量子測控系統(tǒng)。

QuSoil又叫做量子土壤，是由啟科量子研制的ARTIQ架構(gòu)量子測控系統(tǒng)，啟科量子將它首先應(yīng)用于正在研發(fā)的AbaQ百比特離子阱通用量子計(jì)算機(jī)，它將連接啟科研發(fā)的QuRoot(量子根莖：通用量子服務(wù)驅(qū)動(dòng)庫)與離子阱量子計(jì)算機(jī)中的所有光電設(shè)備。而建立這一系統(tǒng)的目的，是為了打破國外公司的壟斷，研發(fā)出一套中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子測控系統(tǒng)。簡單來說，QuSoil與ARTIQ架構(gòu)的關(guān)系就好比銀河麒麟與Linux操作系統(tǒng)。

QuSoil的設(shè)計(jì)具有高度可移植性、多系統(tǒng)兼容性和升級(jí)擴(kuò)展性，保證了系統(tǒng)運(yùn)行于非實(shí)時(shí)設(shè)備時(shí)的穩(wěn)定性。QuSoil的人機(jī)交互界面提供了圖形用戶界面、實(shí)驗(yàn)調(diào)度系統(tǒng)以及用于實(shí)驗(yàn)、設(shè)備、參數(shù)和結(jié)果的數(shù)據(jù)庫，涉及的技術(shù)有Python、Migen、MiSoC/mor1kx、LLVM 和 Llvmlite。此次發(fā)布的邏輯門指令編譯模塊、FPGA中央處理模塊以及下位功能組件三大測控模塊，在實(shí)現(xiàn)交互協(xié)作的同時(shí)，確保了“各司其職”，打造高可靠、高效率、高速率的測控系統(tǒng)。同時(shí)，QuSoil也具有極高的性價(jià)比，同等技術(shù)參數(shù)硬件的預(yù)估售價(jià)相較于國外公司將大大降低。

如果說離子阱芯片是量子計(jì)算機(jī)的“大腦”，那么QuSoil就是量子計(jì)算機(jī)的“神經(jīng)”，而對(duì)于過去以及如今的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)來說，芯片與測控系統(tǒng)主要還是美國居于領(lǐng)先地位，而這就相當(dāng)于將自己的“大腦”與“神經(jīng)”交給他人，而這無疑是件非常要命的事情，所以QuSoil在啟科量子的研發(fā)過程中肩負(fù)著無比重要的使命。

由啟科量子和中山大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)的QuSoil系統(tǒng)，可滿足自身、高校、科研機(jī)構(gòu)對(duì)量子計(jì)算的研發(fā)需求，標(biāo)志著國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)掌握了基于ARTIQ架構(gòu)的量子測控核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)了國內(nèi)ARTIQ測控系統(tǒng)的技術(shù)和產(chǎn)品空白。QuSoil系統(tǒng)為我國自主可控的量子計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)打了一針“強(qiáng)心劑”，極大提升了中國量子企業(yè)在國際市場競爭中的話語權(quán)。啟科QuSoil測控系統(tǒng)的商業(yè)化推廣，將大大促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的量子技術(shù)研發(fā)，特別對(duì)國防軍事和國家安全領(lǐng)域的量子測控技術(shù)需求有重大戰(zhàn)略意義。

目前，QuSoil測控系統(tǒng)包含邏輯門指令編譯模塊、FPGA中央處理模塊以及下位功能組件三大模塊，下圖為QuSoil系統(tǒng)架構(gòu)框圖。

QuSoil系統(tǒng)架構(gòu)框圖

模塊一：邏輯門指令編譯模塊

邏輯門指令編譯模塊是ARTIQ測控系統(tǒng)的主控中心，相當(dāng)于測控系統(tǒng)的大腦。測控系統(tǒng)能否有序、高效地運(yùn)行，完全取決于邏輯門指令編譯是否合理、精準(zhǔn)。邏輯門指令編譯模塊的作用不僅包含對(duì)量子計(jì)算機(jī)底層硬件的控制，還能與應(yīng)用算法層對(duì)接，因此邏輯門指令編譯模塊能同時(shí)滿足不同操作對(duì)象的使用需求。量子實(shí)驗(yàn)員的需求點(diǎn)是能夠?qū)Φ讓佑布男盘?hào)、時(shí)序進(jìn)行靈活配置以滿足其對(duì)實(shí)驗(yàn)訴求；而量子程序員對(duì)硬件的底層邏輯不感興趣，需要提前配置好底層硬件參數(shù)，直接通過專用API進(jìn)行調(diào)用。

對(duì)邏輯門指令編譯模塊的完全自主可控研發(fā)，使得啟科量子可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)及配置。同時(shí)，啟科量子已實(shí)現(xiàn)邏輯門指令編譯模塊底層硬件參數(shù)的迭代優(yōu)化，保障了不斷演進(jìn)的硬件功能訴求得以持續(xù)支持。

模塊二：FPGA中央處理模塊

FPGA中央處理模塊是邏輯門指令編譯模塊以及下位功能組件的橋梁，其主要功能是讀取邏輯門指令編譯模塊傳遞的硬件時(shí)序信號(hào)并進(jìn)行識(shí)別處理，而后根據(jù)時(shí)序的嚴(yán)格處理要求，在特定的時(shí)刻控制數(shù)個(gè)功能板卡進(jìn)行電信號(hào)輸出。FPGA中央處理模塊支持DRTIO(Distributed Real Time Input/Output，分布式實(shí)時(shí)輸入/輸出)協(xié)議，該協(xié)議保證了邏輯門指令編譯模塊之間ns(納秒)級(jí)的同步精度，讓多個(gè)FPGA中央處理模塊聯(lián)合工作以及下位功能組件根據(jù)需求隨意增減成為可能。這正是啟科量子選擇FPGA作為測控系統(tǒng)硬件指揮中心的一大原因。

在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA中央處理模塊可以為研發(fā)型客戶提供更多的選擇，如具有特殊功能的下位功能板卡開發(fā)，客戶可通過與啟科量子合作，將該板卡定制化融入實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中。

模塊三：下位功能組件“數(shù)字脈沖I/O模塊”和“數(shù)字頻率合成模塊”

下位功能組件的主要功能是接受FPGA中央處理模塊的控制指令，并輸出特定種類的電信號(hào)。作為測控系統(tǒng)的最底層硬件，不同應(yīng)用領(lǐng)域要求測控系統(tǒng)具備不同的功能，在離子阱量子計(jì)算機(jī)中需要實(shí)現(xiàn)的功能有“數(shù)字脈沖I/O模塊”(TTL)、“數(shù)字頻率合成模塊”(DDS)、“模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊”(ADC)、“數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊”(DAC)、GHz級(jí)別微波源模塊、“任意波形發(fā)生模塊”(AWG)、“射頻功率放大模塊”、“芯片阱接口模塊”等幾類。

本次發(fā)布的下位功能組件中，DDS在離子阱量子計(jì)算機(jī)中起著舉足輕重的作用，其信號(hào)質(zhì)量將直接影響量子邏輯門操作能否實(shí)現(xiàn)。TTL板卡的主要作用是實(shí)現(xiàn)快速通斷操作，方便實(shí)驗(yàn)員在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行成千上萬次實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，量子比特相干時(shí)間有限，需要在較短的時(shí)間內(nèi)快速完成所有邏輯門操作，因此實(shí)現(xiàn)快速通斷操作的TTL是不可或缺的。此外，TTL可以作為輸入端口，用于探測量子比特的狀態(tài)。

未來，通過將下位功能組件進(jìn)行板卡化、集成化，啟科量子將陸續(xù)發(fā)布ADC、DAC、微波源、AWG等硬件。下位功能組件的日趨健全，將為啟科量子分布式離子阱量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)打造堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。