啟科量子發(fā)布首套國產(chǎn)ARTIQ架構量子計算測控系統

3月28日，啟科量子宣布在離子阱量子計算機工程化研發(fā)上取得重大技術(shù)進(jìn)展，發(fā)布了國內首套具有自主知識產(chǎn)權的ARTIQ架構量子測控系統(QuSoil)。

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

啟科量子同時(shí)宣布，“數字模擬轉換模塊”、“模擬數字轉換模塊”、“任意波形發(fā)生模塊”、“微波信號發(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(kāi)放市場(chǎng)定制。

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

在實(shí)現量子測控系統的諸多方案中，ARTIQ (Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics，量子物理學(xué)高級實(shí)時(shí)基礎設施)脫穎而出，它可以用于量子信息實(shí)驗的尖端控制和數據采集系統。ARTIQ架構是目前全球最先進(jìn)且使用最廣泛的量子測控系統，已被部署在杜克、馬里蘭、MIT、牛津、哈佛等著(zhù)名大學(xué)及量子物理研究機構的實(shí)驗室中，同時(shí)也被美國Sandia國家實(shí)驗室作為量子測控系統的基本架構。

ARTIQ系統最初是由NIST(美國國家標準與技術(shù)研究院)Ion Storage(離子存儲)研究組開(kāi)發(fā)的，該研究組由著(zhù)名原子物理學(xué)家、2012年諾貝爾物理學(xué)獎得主Dave Wineland領(lǐng)導。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)、第一次實(shí)現了激光多普勒冷卻、利用離子阱實(shí)現了第一個(gè)CNOT邏輯門(mén)。利用ARTIQ架構，NIST的量子物理研究組不僅控制著(zhù)世界上最準確的原子鐘，也保持了世界上具有最高量子體積(Quantum Volume)(>100萬(wàn))的量子計算機的運行。

啟科量子通過(guò)此次發(fā)布ARTIQ系統提出了通用量子計算機測控系統的五個(gè)基本標準(即五大挑戰)：

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

● 能夠以非常低的反應延遲完成量子糾錯方案中的測量和控制；

● 能夠處理結構復雜的量子邏輯門(mén)協(xié)議，實(shí)現通用量子算法；

● 能夠滿(mǎn)足靈活部署且可編程的需求，適應不斷改進(jìn)的實(shí)驗硬件；

● 能夠滿(mǎn)足硬件、驅動(dòng)程序和數據分析軟件的多樣性訴求，以適應分布式和多平臺環(huán)境。

為了應對這五大挑戰，研發(fā)高效、穩定、易控、可靠的量子計算測控系統是必然選擇。目前量子測控系統呈現多流派并行發(fā)展的局面，包括離子阱、中性原子、超導、半導體等。但大部分測控系統只能應用單一技術(shù)，無(wú)法實(shí)現“跨界”研發(fā)，這顯然將拉長(cháng)科研時(shí)間、增加成本投入，因此研發(fā)通用平臺構架是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。ARTIQ測控系統則是目前唯一有望建立通用平臺構架的體系。

ARTIQ以開(kāi)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。世界各地的100多個(gè)實(shí)驗室都采用了ARTIQ作為他們的控制系統。ARTIQ測控系統不僅用于離子阱、里德堡原子等原子型量子計算機，也迅速地擴展到超導量子、硅基量子點(diǎn)等量子計算機體系，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。

業(yè)界普遍認為ARTIQ架構將成為集通信、計算、傳感為一體的下一代量子網(wǎng)絡(luò )基本物理測控系統的重要候選者。但是目前ARTIQ硬件的市場(chǎng)供應由M-Labs和QUARTIQ壟斷，國內企業(yè)在相關(guān)知識產(chǎn)權和著(zhù)作權方面還是空白。未來(lái)如果量子計算的國際協(xié)作產(chǎn)生不確定性，將會(huì )嚴重阻礙國內機構利用ARTIQ架構發(fā)展量子測控系統。

2017年，啟科量子首席科學(xué)家、中山大學(xué)羅樂(lè )教授發(fā)起和組織了第一屆亞太地區囚禁量子系統會(huì )議，提出以ARTIQ開(kāi)源架構為基礎，發(fā)展具有完全自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)量子測控系統。該會(huì )議曾邀請了M-Labs首席執行官Sebastien Bourdeauducq對ARTIQ架構進(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架構作為量子測控系統。

QuSoil又叫做量子土壤，是由啟科量子研制的ARTIQ架構量子測控系統，啟科量子將它首先應用于正在研發(fā)的AbaQ百比特離子阱通用量子計算機，它將連接啟科研發(fā)的QuRoot(量子根莖：通用量子服務(wù)驅動(dòng)庫)與離子阱量子計算機中的所有光電設備。而建立這一系統的目的，是為了打破國外公司的壟斷，研發(fā)出一套中國自主知識產(chǎn)權的量子測控系統。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，QuSoil與ARTIQ架構的關(guān)系就好比銀河麒麟與Linux操作系統。

QuSoil的設計具有高度可移植性、多系統兼容性和升級擴展性，保證了系統運行于非實(shí)時(shí)設備時(shí)的穩定性。QuSoil的人機交互界面提供了圖形用戶(hù)界面、實(shí)驗調度系統以及用于實(shí)驗、設備、參數和結果的數據庫，涉及的技術(shù)有Python、Migen、MiSoC/mor1kx、LLVM 和 Llvmlite。此次發(fā)布的邏輯門(mén)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。同時(shí)，QuSoil也具有極高的性?xún)r(jià)比，同等技術(shù)參數硬件的預估售價(jià)相較于國外公司將大大降低。

如果說(shuō)離子阱芯片是量子計算機的“大腦”，那么QuSoil就是量子計算機的“神經(jīng)”，而對于過(guò)去以及如今的量子計算機研發(fā)來(lái)說(shuō)，芯片與測控系統主要還是美國居于領(lǐng)先地位，而這就相當于將自己的“大腦”與“神經(jīng)”交給他人，而這無(wú)疑是件非常要命的事情，所以QuSoil在啟科量子的研發(fā)過(guò)程中肩負著(zhù)無(wú)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，可滿(mǎn)足自身、高校、科研機構對量子計算的研發(fā)需求，標志著(zhù)國內企業(yè)已經(jīng)掌握了基于A(yíng)RTIQ架構的量子測控核心知識產(chǎn)權，填補了國內ARTIQ測控系統的技術(shù)和產(chǎn)品空白。QuSoil系統為我國自主可控的量子計算機測控系統打了一針“強心劑”，極大提升了中國量子企業(yè)在國際市場(chǎng)競爭中的話(huà)語(yǔ)權。啟科QuSoil測控系統的商業(yè)化推廣，將大大促進(jìn)國內相關(guān)領(lǐng)域的量子技術(shù)研發(fā)，特別對國防軍事和國家安全領(lǐng)域的量子測控技術(shù)需求有重大戰略意義。

目前，QuSoil測控系統包含邏輯門(mén)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系統架構框圖。

QuSoil系統架構框圖

模塊一：邏輯門(mén)指令編譯模塊

邏輯門(mén)指令編譯模塊是ARTIQ測控系統的主控中心，相當于測控系統的大腦。測控系統能否有序、高效地運行，完全取決于邏輯門(mén)指令編譯是否合理、精準。邏輯門(mén)指令編譯模塊的作用不僅包含對量子計算機底層硬件的控制，還能與應用算法層對接，因此邏輯門(mén)指令編譯模塊能同時(shí)滿(mǎn)足不同操作對象的使用需求。量子實(shí)驗員的需求點(diǎn)是能夠對底層硬件的信號、時(shí)序進(jìn)行靈活配置以滿(mǎn)足其對實(shí)驗訴求；而量子程序員對硬件的底層邏輯不感興趣，需要提前配置好底層硬件參數，直接通過(guò)專(zhuān)用API進(jìn)行調用。

對邏輯門(mén)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用戶(hù)的需求進(jìn)行定制化設計及配置。同時(shí)，啟科量子已實(shí)現邏輯門(mén)指令編譯模塊底層硬件參數的迭代優(yōu)化，保障了不斷演進(jìn)的硬件功能訴求得以持續支持。

模塊二：FPGA中央處理模塊

FPGA中央處理模塊是邏輯門(mén)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(mén)指令編譯模塊傳遞的硬件時(shí)序信號并進(jìn)行識別處理，而后根據時(shí)序的嚴格處理要求，在特定的時(shí)刻控制數個(gè)功能板卡進(jìn)行電信號輸出。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(mén)指令編譯模塊之間ns(納秒)級的同步精度，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作為測控系統硬件指揮中心的一大原因。

在實(shí)際應用中，FPGA中央處理模塊可以為研發(fā)型客戶(hù)提供更多的選擇，如具有特殊功能的下位功能板卡開(kāi)發(fā)，客戶(hù)可通過(guò)與啟科量子合作，將該板卡定制化融入實(shí)驗控制系統中。

模塊三：下位功能組件“數字脈沖I/O模塊”和“數字頻率合成模塊”

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(lèi)的電信號。作為測控系統的最底層硬件，不同應用領(lǐng)域要求測控系統具備不同的功能，在離子阱量子計算機中需要實(shí)現的功能有“數字脈沖I/O模塊”(TTL)、“數字頻率合成模塊”(DDS)、“模擬數字轉換模塊”(ADC)、“數字模擬轉換模塊”(DAC)、GHz級別微波源模塊、“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(lèi)。

本次發(fā)布的下位功能組件中，DDS在離子阱量子計算機中起著(zhù)舉足輕重的作用，其信號質(zhì)量將直接影響量子邏輯門(mén)操作能否實(shí)現。TTL板卡的主要作用是實(shí)現快速通斷操作，方便實(shí)驗員在短時(shí)間內進(jìn)行成千上萬(wàn)次實(shí)驗。同時(shí)，量子比特相干時(shí)間有限，需要在較短的時(shí)間內快速完成所有邏輯門(mén)操作，因此實(shí)現快速通斷操作的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(lái)，通過(guò)將下位功能組件進(jìn)行板卡化、集成化，啟科量子將陸續發(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算機的研發(fā)打造堅實(shí)基礎。