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中国自主研发超导量子计算机上线 6-Qubit夸父芯片量子测控一体机
送交者: 笑鸠[♂★★★声望勋衔14★★★♂] 于 2020-09-27 0:42 已读 2098 次  

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中国自主研发超导量子计算机上线


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6-Qubit夸父芯片
量子测控一体机 6park.com


  9月12日,本源量子公司上线了量子计算云平台,这是中国首个接入实体量子计算机的量子计算云平台。本源量子自主研发的量子计算机名为“悟源”,其核心硬件是6-Qubit夸父芯片。 6park.com

  “除了机箱,也就是制冷机,其它的我们都是能够自主可控研发,或者来找国内的厂商来制造的。”本源量子计算公司副总裁张辉说。 6park.com

  相比于IBM目前在云平台上提供的高达50个量子比特的系统,6个量子比特只是其在2017年的最初水平。郭光灿院士在发布会上表示:从更高的角度看,6个量子比特太少了……但我们更看重的是,我们将来有可能往前做的、实用的这条路,并走出第一步。 6park.com

  开启中国量子计算机应用 6park.com

  此次推出的6比特量子计算机“悟源”,其中的夸父芯片由6个基于约瑟夫森结的超导量子比特构成。“悟源”对标的是IBM于2017年在云端发布5比特量子计算机。发布会公布的关键参数,即量子逻辑门保真度、量子比特读取的保真度上,均超出了IBM在2017年的指标。 6park.com

  目前,悟源绝大多数部件都实现了自主研发,唯一的例外是外层制冷机,源于进口技术,这是由于量子芯片需要在接近零度的低温环境下工作,要求很高。 6park.com

  目前,国外只有极少数几家公司垄断了相关的技术。不过,本源量子轮值董事长、量子测控总监孔伟成表示,合作单位正在努力,最早在明年能见到国产制冷机系统。与云平台一起发布的,还有第二代量子测控一体机,以及三个基于量子算法的应用软件。 6park.com

  量子芯片的测控技术是让芯片发挥作用的关键 6park.com

  提供量子芯片运行所需的关键信号,同时负责对量子芯片传回信息的处理,并执行对量子计算机程序的编译。实现这些功能的专用系统就是量子测控一体机。 6park.com

  今年发布了第二代量子测控一体机,从2018年的支持8位比特的量子芯片运行,提升为支持32位。支持216通道,并具备200ps同步稳定性。 6park.com

  孔伟成介绍,量子测控一体机的升级,使团队能够在更大规模的量子计算机的研发当中保持效率。在量子计算的应用上,本源量子此次开发了三款应用软件。分别是复杂网络的排序应用、手写数字识别、用户偏好的行为预测。 6park.com

  复杂网络排序应用可以对复杂网络节点进行重要性综合评价,探究网络影响力最大化问题;手写数字识别利用量子算法和经典算法混合实现;用户偏好行为预测通过实现量子关联规则挖掘算法,加速挖掘分析复杂关联数据之间的内在联系。 6park.com

  本源量子表示,2021年底将上线搭载60位比特量子芯片的第二代超导量子计算机“物源”。而在另一技术路上,将发布基于半导体量子芯片的量子计算机。 6park.com

  张辉介绍,目前在产业上,本源量子主要的合作方向是军工、金融、生物医药、人工智能。他看来,这也是未来量子计算最有可能先实现应用优势的领域。就时间发展而言,在近五年内,国际领先的量子计算水平很可能在具体应用实例上展现出优越性。 6park.com

  2017年起,摩根大通和巴克莱开始使用IBM的量子云计算功能,运用特定算法加速优化其投资组合。今年,本源量子寻找到第一个金融领域的合作伙伴。中国建设银行旗下金融科技的子公司建信金融科技与本源量子合作,设立了量子金融实验室。本源量子2018年就建立了产业联盟,金融作为比较重点的部署,直到今年才真正找到了真心想做这方面硬科技的一个伙伴。 6park.com

  张辉说,“中国其实很缺做这种原创性的科技,从实验室到最终变成产品的中间这过程。相信也会有越来越多的伙伴能意识到这个问题。” 6park.com

  量子计算竞赛,商业应用尚在探索 6park.com

  量子计算的优越性来自于量子叠加的物理性质。如果用量子态编码信息,应用量子叠加的物理性质,理论上来说,N个量子比特可以同时保存和处理的信息是2的N次方。相比较之下,N个经典比特同时只能保存和处理一条信息。利用这个优势,量子算法在特定应用场景中,可以获得远超经典量子计算机性能的总和。 6park.com

  目前,量子计算的优越性已经得到部分证明。而量子算法需要和不同领域继续碰撞,才能够找到落地应用的具体场景和关键点。 6park.com

  加速量子计算运用的发展,首先需要让更多人使用量子计算机。量子云平台由此而生。最早推出量子计算云平台是IBM,其在2016年就上线了基于真实量子计算机的云平台IBM Q Experience,最早发布的是5量子比特的计算系统,目前可以提供最高53比特的量子计算系统。 6park.com

  在2019年,亚马逊、微软先后上线了量子计算云平台Braket与Azure Quantum。两者都通过其云平台,向用户同时提供来自不同初创公司的量子计算机服务。 6park.com

  其中,亚马逊是唯一公开收费标准的量子计算云平台。其云平台除了支持量子算法,还支持量子和经典系统结合使用的混合算法,目前最高能够提供35量子比特的系统。除了量子算法,客户还可以使用Braket来设计运行混合算法。 6park.com

  为亚马逊云平台提供量子计算设备的三家公司分别为IonQ,Rigetti和D-waves。后两家公司也分别开放了独立的云平台。这三台设备分别对应量子计算的三种实现方法:IonQ基于离子阱技术的量子计算机;Rigetti基于超导技术的量子计算机;D-Waves基于超导的退火量子计算机。 6park.com

  其中,D-waves的退火量子计算机是一种专用量子计算机,通过对热力学中退火过程的模拟,运行特定的算法。这一专用量子计算机的优势是能够快速求解组合优化问题,在机器学习和深度学习等领域具有优势。 6park.com

  从物理器件层面来看,退火量子计算机属于超导技术路线。而在目前,用何种物理体系能最终实现量子计算,学界及产业界尚未有一致性的意见,因此不同的路线都有人在进行尝试。 6park.com

  总体而言,常见的技术路线有五种:超导电路、半导体量子点、离子阱、光学、拓扑。而在工程制造层面,超导电路和半导体量子点两种技术路线发展较快。一是目前的半导体和集成电路工艺较为成熟,二是这两种路线较有希望和已有的经典计算机兼容。 6park.com

  量子芯片的基本单位是量子比特,通过物理器件实现量子比特之后,技术关键点是提高量子比特数量的同时,提高量子比特逻辑门的精度。目前IBM能够在53个量子比特上实现99%以上的量子逻辑门保真度,以及98.8%的量子比特读取保真度。影响量子比特逻辑门精度的重要参数是退相干时间。量子的相干性会随时间而快速消失,量子系统也就随之变成经典系统。因此退相干时间越长,量子系统越稳定。 6park.com

  超导量子系统自实现以来仅有21年的历史,通过材料的改进,退相干系统的时间从小于1微秒延长到了200微秒以上。 6park.com

  在2019年底,谷歌宣布在其Sycamore的芯片上,能够花几分钟的时间执行一项计算,而同样的任务在最强大的经典计算机上实现则需要一万年。Sycamore芯片一共有140个量子比特,用于完成计算任务的比特数为53。虽然遭到了IBM的质疑,依旧可以认为在一个数学问题上,谷歌验证了量子算法优越性。但是这与实际应用尚有一段距离。 6park.com

  目前在研究层面,虽然已经设计出多种说明“量子优越性”的算法,实际上并没有在现实中的成熟应用。目前量子计算机仍旧处于经典计算机的“晶体管时代”,尚未实现首个普适性行业应用案例。近日,IBM又研制出了65位的量子计算机,成为目前最强的计算机。 6park.com

  业界普遍认为,要实现100万个量子比特,才能够实现通用量子计算机。不过短期技术目标是中等规模的专用量子芯片。已有研究表明,有一类的算法可以允许噪声存在,也就是量子操作过程中可以有一定的偏差。利用噪声的均匀分布,或是寻找优化解使得计算依旧可以进行。基于这类技术可以实现含噪声中型量子(NISQ)计算机。 6park.com

  中国的量子计算还有很长的路 6park.com

  本源量子成立于2017年,依托于中科院量子信息重点实验室,团队的核心成员即是实验室的博士生团队。创始人是实验室副主任郭国平教授,实验室主任郭光灿院士任科学顾问。 6park.com

  早在2013年的时候,郭光灿、郭国平两位创始人就有了办企业的想法。这是由于他们意识到,量子计算机是一个工程化的问题,停留在高校的学术研究层面,是无法造出量子计算机的。而由于当时国内没有做量子计算的企业,实验室的博士毕业没有相关领域的职位,只有转行。这导致量子计算领域的人才一直在流失。而国外的产业化已起步,工艺上的积累一旦开始,国内外的差距必然逐年加大。 6park.com

  2017年,是全球量子计算技术走出实验室的关键一年。谷歌和微软聘用了量子计算的顶尖人才,开始向这一领域加大投入,同时美国高校里的教授也开始进行产业化尝试。 6park.com

  郭光灿和郭国平以教授身份开始创业,最初也有一个单纯的想法,就是通过一个平台,把量子计算领域的人才留住,聚集起来才可以一起做事情。 6park.com

  目前本源在进行中的,有超导和半导体量子点两条技术路线。据张辉介绍,在软件方面与国外差距不大,主要的差距在工程化方面,在超导方向上有四五年的差距,而半导体方向上,由于实验室原来已经进行了15年研究,有一两年的差距。“这个差距只会大,不会小。”张辉强调,这个结果,是本源用内部最强的数据和公开数据进行比较得出的,而国外实验室内部完全可能正在迭代。“我们要做的是尽可能不要被他们再拉大差距,或者说,我们要死死地咬住他们。” 6park.com

  成立刚刚满三年,本源量子在今年售出了第一台量子计算原型机。量子计算的人才更多地聚集过来,政策和外部环境也开始重视量子计算,这让团队更有信心。 6park.com

  目前中国量子计算领域的人才非常缺乏,这一领域处于量子力学和计算机学科的交叉地带。张辉形容,“现在只能招到二分之一的人才”,或者物理学背景好,能够做基础的原创性工作;要么是计算机背景,招进来后学习量子计算、线性代数、逻辑编程等方面的原理,进行软件编程的工作。这一块,未来本源量子会专门成立量子教育的子公司。 6park.com

  目前本源量子已经获得了400项专利,2019年底,在全球量子计算发明专利排行榜上跻身12位。作为一个三年的初创公司,这一点让本源对自己的技术感到骄傲。 6park.com

  量子计算机的成熟技术,一定是人类集体智慧的产物。本源量子想做的就是,抢占到未来量子计算的核心专利,未来有和国际竞争的实力。这样,“在整个人类的量子计算上,我们是有中国人的这一笔的。” (麻省
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