中國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子芯片悟空芯

近日，量子計(jì)算芯片安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、安徽省量子計(jì)算工程研究中心聯(lián)合發(fā)布了中國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”（夸父 KF C72-300），并已在近期發(fā)布的中國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上成功運(yùn)行。

量子計(jì)算是一種利用量子原理進(jìn)行信息處理的新型計(jì)算方式，它可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題，被認(rèn)為是未來(lái)計(jì)算技術(shù)的革命性突破。 

“悟空芯”封裝盒

據(jù)介紹，“悟空芯”擁有72個(gè)超導(dǎo)量子比特，取名來(lái)源于孫悟空的“72變”，寓意其強(qiáng)大的計(jì)算能力及潛力，搭載該款量子芯片的量子計(jì)算機(jī)是目前中國(guó)最先進(jìn)的可編程、可交付超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。同時(shí)，“本源悟空”匹配了本源第三代量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)“本源天機(jī)”，在國(guó)內(nèi)首次真正落地了量子芯片的批量自動(dòng)化測(cè)試。

“悟空芯”是本源量子自主研發(fā)的夸父系列量子芯片，屬于第三代產(chǎn)品。與前兩代量子芯片相比，第三代夸父超導(dǎo)量子芯片具有更高的相干時(shí)間，性能上有顯著提升。2020年，第一代夸父6比特超導(dǎo)量子芯片KFC6-130研制成功；2021年，第二代夸父24比特超導(dǎo)量子芯片KFC24-100研制成功。

具體來(lái)說(shuō)，“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，共有198個(gè)量子比特，其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的比特弛豫時(shí)間T1≥15.3μs，退相干時(shí)間 T2≥2.25μs。而基于該款量子芯片的“本源悟空”量子計(jì)算機(jī)可一次性下發(fā)、執(zhí)行多達(dá)200個(gè)量子線路的計(jì)算任務(wù)，從而比只能同時(shí)下發(fā)、執(zhí)行單個(gè)量子線路的國(guó)際同類量子計(jì)算機(jī)具有更大的速度優(yōu)勢(shì)。

“悟空芯”放大模型

量子計(jì)算芯片安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任賈志龍博士介紹，“悟空芯”以及“本源悟空”量子計(jì)算機(jī)的發(fā)布，是中國(guó)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造的一張新“入場(chǎng)券”，意味著中國(guó)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造能力從小規(guī)模開(kāi)始進(jìn)入中等規(guī)模階段，具備了自主生產(chǎn)一定中等規(guī)模的可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)芯片和系統(tǒng)的能力。

全球角逐

何謂量子計(jì)算機(jī)？形象地說(shuō)，“在量子計(jì)算機(jī)面前，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)就像‘算盤’”。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，則是基于超導(dǎo)電路量子芯片的量子計(jì)算機(jī)。

· 2019年，來(lái)自谷歌的量子人工智能研究團(tuán)隊(duì)就研制出具有53個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并且展現(xiàn)出強(qiáng)大的運(yùn)算能力。在針對(duì)某個(gè)特定復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的求解上，該款超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)只需要200秒就可以成功完成任務(wù)，而如果采用當(dāng)年世界上排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，則需要長(zhǎng)達(dá)一萬(wàn)年才能實(shí)現(xiàn)。

· 2021年，中國(guó)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之二號(hào)”上線。該款超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)目達(dá)到66個(gè)，并且在運(yùn)算速度方面比2019年谷歌發(fā)布的系統(tǒng)快接近一萬(wàn)倍。

· 2023年，IBM的433位超導(dǎo)量子比特處理器Osprey在其云平臺(tái)上線；中科大擴(kuò)展超導(dǎo)量子處理器“祖沖之二號(hào)”可操縱量子比特至176位；蘇黎世聯(lián)邦理工基于超導(dǎo)量子電路完成無(wú)漏洞貝爾實(shí)驗(yàn)……

至2023年10月，全球29個(gè)國(guó)家和地區(qū)制定和發(fā)布了量子信息領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃或法案，公開(kāi)信息不完全統(tǒng)計(jì)投資總額超過(guò)280億美元。業(yè)內(nèi)預(yù)測(cè)，2023-2027年，全球量子計(jì)算市場(chǎng)的投資將以11.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率保持增長(zhǎng)，到2027年底，量子市場(chǎng)的投資將增長(zhǎng)到164億美元。

量子計(jì)算是一個(gè)全球性的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域，各國(guó)都在積極投入和探索，“本源悟空”的上線將為中國(guó)在全球量子計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)中取得更好的地位，但也要清醒看到和世界量子計(jì)算強(qiáng)國(guó)間尚有不小差距。

超導(dǎo)量子芯片的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期保存量子信息的能力是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)商用的關(guān)鍵。目前，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模較小，處理復(fù)雜問(wèn)題的能力有限，為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，需要進(jìn)一步擴(kuò)展量子芯片的規(guī)模，提高量子比特的數(shù)目和相干時(shí)間等性能指標(biāo)。另外，隨著量子芯片規(guī)模的擴(kuò)大，量子計(jì)算機(jī)的能耗和散熱問(wèn)題將更加突出，需要開(kāi)發(fā)高效的能源利用和散熱技術(shù)來(lái)解決。