中國第三代自主超導量子芯片悟空芯

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

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

“悟空芯”封裝盒

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

“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，第三代夸父超導量子芯片具有更高的相干時(shí)間，性能上有顯著(zhù)提升。2020年，第一代夸父6比特超導量子芯片KFC6-130研制成功；2021年，第二代夸父24比特超導量子芯片KFC24-100研制成功。

具體來(lái)說(shuō)，“悟空芯”采用了72個(gè)計算量子比特的設計方案，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”量子計算機可一次性下發(fā)、執行多達200個(gè)量子線(xiàn)路的計算任務(wù)，從而比只能同時(shí)下發(fā)、執行單個(gè)量子線(xiàn)路的國際同類(lèi)量子計算機具有更大的速度優(yōu)勢。

“悟空芯”放大模型

量子計算芯片安徽省重點(diǎn)實(shí)驗室副主任賈志龍博士介紹，“悟空芯”以及“本源悟空”量子計算機的發(fā)布，是中國超導量子計算機制造的一張新“入場(chǎng)券”，意味著(zhù)中國超導量子計算機制造能力從小規模開(kāi)始進(jìn)入中等規模階段，具備了自主生產(chǎn)一定中等規模的可擴展的量子計算機芯片和系統的能力。

全球角逐

何謂量子計算機？形象地說(shuō)，“在量子計算機面前，傳統的計算機就像‘算盤(pán)’”。超導量子計算機，則是基于超導電路量子芯片的量子計算機。

· 2019年，來(lái)自谷歌的量子人工智能研究團隊就研制出具有53個(gè)超導量子比特的量子計算機，并且展現出強大的運算能力。在針對某個(gè)特定復雜計算任務(wù)的求解上，該款超導量子計算機只需要200秒就可以成功完成任務(wù)，而如果采用當年世界上排名第一的超級計算機進(jìn)行計算，則需要長(cháng)達一萬(wàn)年才能實(shí)現。

· 2021年，中國超導量子計算機“祖沖之二號”上線(xiàn)。該款超導量子計算機的量子比特數目達到66個(gè)，并且在運算速度方面比2019年谷歌發(fā)布的系統快接近一萬(wàn)倍。

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

至2023年10月，全球29個(gè)國家和地區制定和發(fā)布了量子信息領(lǐng)域的發(fā)展戰略規劃或法案，公開(kāi)信息不完全統計投資總額超過(guò)280億美元。業(yè)內預測，2023-2027年，全球量子計算市場(chǎng)的投資將以11.5%的復合年增長(cháng)率保持增長(cháng)，到2027年底，量子市場(chǎng)的投資將增長(cháng)到164億美元。

量子計算是一個(gè)全球性的競爭領(lǐng)域，各國都在積極投入和探索，“本源悟空”的上線(xiàn)將為中國在全球量子計算競爭中取得更好的地位，但也要清醒看到和世界量子計算強國間尚有不小差距。

超導量子芯片的穩定性和長(cháng)期保存量子信息的能力是實(shí)現量子計算機商用的關(guān)鍵。目前，超導量子計算機的規模較小，處理復雜問(wèn)題的能力有限，為了實(shí)現商業(yè)化應用，需要進(jìn)一步擴展量子芯片的規模，提高量子比特的數目和相干時(shí)間等性能指標。另外，隨著(zhù)量子芯片規模的擴大，量子計算機的能耗和散熱問(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。