量子测控一体机：量子计算机小型化的第一步

源量子测控一体机

■我们的记者赵广利

大多数致力于量子芯片研究的团队使用现有的设备来构建控制系统，但这既昂贵又低效。因此，研究和开发量子计算专用的优化控制设备迫在眉睫。

回顾计算机发展的历史，电子计算机在20世纪50年代被发明时是巨大的。第一台电子计算机“ENIAC”占地面积超过170平方米。直到现在，它才成为一种可以手持的设备。目前，处于婴儿期的量子计算机似乎在重复当年的故事——实现对量子芯片的精确控制，而量子芯片是占据整个房间所需的仪器和设备。

从历史中学习，量子计算机的小型化势在必行。

今天，这一历史进程正在上演。最近，中国科学院量子信息重点实验室的研究团队从量子计算机的外围硬件设备入手，开发了一套简单高效的量子计算机控制系统——“量子测控一体机”，并将“控制系统”的功能集成到一个手提箱大小的仪器中，迈出了量子计算机小型化的第一步。

该系统具有“小型化、高专业效率、高本地化水平”的特点。中国科学院量子信息重点实验室副主任郭告诉《中国科学日报》:“这是中国量子计算领域向前迈出的重要一步。”

独立研发

量子计算机控制系统是指量子计算机除量子芯片以外的所有外部硬件，类似于经典计算机的主板、存储器、存储器和电源等一系列组件。

量子计算是一个新兴产业，在国外发展较早，但科学家们更多地关注量子芯片的性能改进，而忽略了其控制系统的更新和迭代郭告诉记者，大部分致力于量子芯片研究的团队使用现有的设备来构建控制系统，但这种方法成本高，效率低。因此，研究和开发量子计算专用的优化控制设备迫在眉睫。

郭说，为了满足量子计算实验研究的需要，中国科学院郭广灿院士领导的量子计算研究小组长期以来一直在努力建设量子计算机控制系统。后来，由该团队创建的致力于推广量子计算机应用的中国第一家量子计算公司“源量子”成立，量子计算机控制系统的研发成为源量子的重要研发项目。

"我们成立了一个专门的部门来开展相应的研究和开发工作."郭表示，在前期技术积累的基础上，具有较灵活机制的源量子很快组织了一个工程团队进行技术研究和系统研发，并实际建成了项目上的设备。

经过不断的技术探索和实验测试，中国首个自主研发的量子计算机控制系统于2018年12月正式亮相。郭告诉记者，自发布以来，一些研究机构已经联系了他们的团队，询问有关量子测控一体机的情况。

擅长很多事情，擅长一件事

量子测控一体机最基本的功能是提供量子芯片运行所需的关键信号，同时负责处理量子芯片返回的信息和执行量子计算机程序的编译。换句话说，量子测控一体机通过提供量子芯片的操作环境和接口，提供量子芯片所需的精确信号的产生、采集、控制和处理，使量子芯片能够最大限度地发挥其性能优势。

记者了解到，量子测控一体机采用模块化设计。当前发布的版本包括四个功能模块，总共40个功能通道。功能通道通过PCIE高速扩展总线互联集成，可直接支持8位超导量子芯片或2位半导体量子芯片。在使用过程中，它还可以升级到最多200个通道，以支持更高性能的量子芯片。

郭透露，他的团队已经开发了一个半导体2位量子芯片和一个超导6位量子芯片，两者都在量子测控一体机上得到了很好的支持。

“目前，源量子可以提供各种版本的一体化量子测量和控制机器，支持超导和半导体量子芯片。这也是世界上第一个能够同时支持两种不同固态量子计算技术路线的集成测量和控制设备。”郭告诉《中国科学》，“与此同时，我们正在开发系统级解决方案和独立的功能模块，适用于更多量子物理系统的研究，如离子阱、钻石、NEMS等。”

源量子公司董事长兼量子测控部主任孔伟成表示，量子测控一体机将主要用于量子芯片的测试和研究以及量子计算机原理的构建等。此外，作为一种高端仪器，它还可以用于更广泛的领域，如精密测量、基础科学研究、雷达探测等。

有许多优点

郭在接受《中国科学报》采访时表示，量子测控一体机的核心指标和模块设计是由其技术团队自主研发的。该模块设计采用了“全多功能集成方法”，这显然不同于今天发布的由商用仪器构建的其他几个量子计算机控制系统。

郭告诉记者，由于中国的高端仪器严重依赖进口，传统的量子计算控制系统大多采用进口商用仪器，造价昂贵(一千万元以上)，功能冗余和兼容性差。然而，专为量子芯片设计的一体化量子测控机不仅功能专业、性能优异，而且可以节省一半以上的成本(大规模生产的成本仍有降低的空间)。

“这套设备的优势主要来自高度集成，这相当于将许多具有不同功能的设备集成到一个设备中。它是为优化量子计算而专门设计的，因此具有功能专门化和性能化、更高的精度、更快的速度、更低的成本、占用空间小和运输方便的优点。”基于此，郭表示:“我们认为小型化和集成化是量子测控设备的发展趋势，最终将取代原有系统。”

郭告诉《中国科学报》，这也是量子计算必须走向商业化的一个关键环节。“量子计算机控制系统是构建量子计算机的重要组成部分。它的小型化将推动量子计算机朝着更高的集成度发展，这是量子计算机未来的发展趋势。”

此外，郭告诉记者，目前量子测控一体机的部分组件已经国产化，在许多可以应用的领域，高端仪器依赖进口的局面可能会有所改善。

促进量子计算机的研究和发展

值得一提的是，量子测控一体机也将随着量子芯片的发展而迭代。"随着芯片数量的增加，其对控制系统的要求也相应增加."郭告诉记者，这其中存在很多挑战:既要满足量子芯片对信号产生和采集的指标要求，又要满足量子芯片在运行过程中对信号控制和处理的指标要求；用量子芯片实现量子信息处理应用时，量子计算机控制系统不同信号接口的输入输出信号需要满足更严格的逻辑关系。

“我们需要严格审查和论证量子芯片运行的所有指标要求，了解量子信息处理的本质和实际工作模式，从而开发出符合指标要求的量子计算机控制系统，这是一个技术难点。”郭对说:

孔伟成表示，未来，原有的量子研发团队将不断改进和升级一体化量子测控机，从更高的集成度、更高的信号指标、模块化的独立产品、量子计算机汇编语言等多个方向对其进行优化，以满足更多数字量子芯片的测控需求。

量子测控一体机的发展也将极大地推动量子计算机的发展进程。

“量子测控集成机的研发成功使我们能够进入整个量子计算机系统的集成。这个过程需要一些时间。除了硬件改造和调试，软件相关的调试，包括控制程序、量子算法程序等等，也正在紧张地进行。”郭告诉记者，调试完成后将进行一段时间的运行测试，以确保整个系统的正常可靠运行，并为进一步的研发提供相关数据。

至于何时推出量子计算机原型，郭表示，“我们将根据各集成测试模块的进度调整工作内容的安排。”他强调，量子计算机的研发是一项长期的工作，其中包括一个不断演变的研发周期“开发-测试-迭代开发”。“我们计划今年完成几个阶段的开发和测试。在适当的时候，我们将推出一个量子计算机原型。”

中国科学新闻(2019-017，第八版设备制造)