啟科量子：打造離子阱量子計(jì)算領(lǐng)域的“中國名片”

白玉潔

量子科技被認(rèn)為是引爆第四次科技革命的關(guān)鍵，因此從政府到各企業(yè)，全都蓄勢(shì)待發(fā)。

從“量子優(yōu)越性”里程碑多次實(shí)現(xiàn)，到世界各國爭(zhēng)相公布野心勃勃的發(fā)展規(guī)劃，從諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)花落量子信息技術(shù)，再到全球科技巨頭斥巨資摹畫……量子物理學(xué)聽起來玄而又玄，但全世界的科技工作者，正不約而同試圖利用量子世界中的一些特點(diǎn)，希求獲得打開科技宇宙深處的一把密鑰。

作為在世界版圖上越來越占據(jù)重要位置的我國科創(chuàng)企業(yè)，同樣不遑多讓。

2023年2月，國內(nèi)首家離子阱量子計(jì)算公司——國開啟科量子技術(shù)（北京）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“啟科量子”）正式發(fā)布了我國首臺(tái)模塊化離子阱量子計(jì)算工程機(jī)，為我國原子型量子計(jì)算機(jī)從關(guān)鍵技術(shù)突破、實(shí)驗(yàn)室研發(fā)、原理樣機(jī)研制到產(chǎn)品工程化邁出了關(guān)鍵一步。

犯其至難而圖其至遠(yuǎn)者

1964年的11月，發(fā)明了著名的費(fèi)曼圖和一大堆量子理論的頂級(jí)科學(xué)家費(fèi)曼，在康奈爾大學(xué)開展“物理定律的本性”系列演講中，非常誠懇地講出了下面一段話：“我想我可以有把握的說，沒有人真正理解量子力學(xué)，因而，不必太認(rèn)真地對(duì)待我這一講座，覺得你真的通過我所描述的某種模型弄懂了什么，你只要自由自在地欣賞它就好了。”

如今時(shí)間已經(jīng)過去了大半個(gè)世紀(jì)之久，師從國際量子物理基礎(chǔ)檢驗(yàn)和量子信息領(lǐng)域的先驅(qū)和重要開拓者、2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安東·塞林格，構(gòu)建了一套比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍的光量子計(jì)算系統(tǒng)，被稱為我國“量子之父”的潘建偉在其尚未達(dá)知名之年時(shí)表示，“如果能弄明白為什么會(huì)有量子糾纏，我立即死了都愿意。”

毋庸置疑，從1900年至今，量子世界依舊詭譎離奇、匪夷所思和難以捉摸。但這個(gè)世界向人類透露的丁點(diǎn)光亮，卻帶領(lǐng)人類科技向前走了一大步，這也成為眾多科技工作者、科技企業(yè)成為明知其難仍孜孜不倦探索的最大動(dòng)力。

啟科量子是其中一員。

啟科量子正式成立于2019年1月，是目前國內(nèi)首家且唯一一家兼具量子計(jì)算與量子通信研發(fā)能力的企業(yè)。團(tuán)隊(duì)包括50多位科學(xué)家和工程師，核心人員曾于2003年領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)出全球第一套商業(yè)化量子通信系統(tǒng)，于2012年實(shí)現(xiàn)全球首次在離子阱芯片上的離子囚禁。

2020年，綜合離子阱技術(shù)本身優(yōu)異的特性以及外部適宜的發(fā)展環(huán)境等多重因素，啟科量子開始離子阱量子計(jì)算工程機(jī)的研發(fā)，并宣布2—3年內(nèi)完成離子阱量子計(jì)算機(jī)研發(fā)。

彼時(shí)，UQ、IonQ、Quantinuum等“優(yōu)等生”在離子阱領(lǐng)域已經(jīng)研究了多年，取得的多項(xiàng)成果正將離子阱量子計(jì)算推向全球新的商業(yè)熱點(diǎn)，各方佼佼者競(jìng)爭(zhēng)蓄勢(shì)待發(fā)，啟科量子的入局在賽道中舉起了中國旗。

在此之前，啟科量子已經(jīng)完成基于單光子的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于糾纏態(tài)的量子信息傳輸，落地了量子保密通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、量子保密通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維產(chǎn)品、量子安全應(yīng)用產(chǎn)品和脈沖激光器等核心組件。

2021年1月，基于新一代小型化的量子通信設(shè)備研發(fā)和量產(chǎn)，以及百比特離子阱量子計(jì)算機(jī)研發(fā)，啟科量子獲得了來自中關(guān)村發(fā)展前沿基金、中關(guān)村金種子基金等的5000萬投資。

事雖難，做則必成

2023年2月13日，如約2年，啟科量子在萬眾矚目中正式發(fā)布國內(nèi)首臺(tái)離子阱量子計(jì)算工程機(jī)，并通過國內(nèi)量子信息、原子物理、光電子學(xué)等領(lǐng)域知名專家的評(píng)審，認(rèn)證其綜合工程化水平已經(jīng)進(jìn)入國際先進(jìn)行列。

啟科量子解釋，此次發(fā)布的工程機(jī)1.0（“天算1號(hào)”）由工作環(huán)境控制、離子阱、光學(xué)、電子測(cè)控四大子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)系統(tǒng)又由若干模塊組成。各個(gè)模塊通過插箱方式實(shí)現(xiàn)了與整機(jī)系統(tǒng)上的互聯(lián)，極大提升了模塊更換的靈活性。據(jù)悉，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)還對(duì)各模塊的空間布局進(jìn)行優(yōu)化，使整機(jī)更加緊湊。值得一提的是，在操作方面，該工程機(jī)采用人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)智能化控制，大大降低了量子計(jì)算機(jī)的操作復(fù)雜性，使過去只能在專業(yè)原子物理實(shí)驗(yàn)室完成的實(shí)驗(yàn)操作化繁為簡(jiǎn)，拓寬了離子阱量子計(jì)算機(jī)的適用范圍。

這關(guān)鍵一步，也是離子阱量子計(jì)算技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化的重要一步。

根據(jù)啟科量子介紹，該離子阱量子計(jì)算工程機(jī)突破了超低溫真空系統(tǒng)，提升了離子囚禁時(shí)間，能夠進(jìn)一步提高真空度，保障了離子囚禁的穩(wěn)定性、可操作性。

采用的模塊化設(shè)計(jì)，可將大量分立光學(xué)元器件靈活獨(dú)立組裝集成，其采用的光纖跳線連接方式，在單獨(dú)模塊替換時(shí)可不影響整體允許，將便于后期模塊分別進(jìn)一步小型化、工程化。

其通過對(duì)機(jī)箱采用的一體化設(shè)計(jì)，不僅極大提升了對(duì)外界電磁場(chǎng)的屏蔽能力，同時(shí)提升了量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)韌性，為提高保真度準(zhǔn)備了條件。

可貴的是，不同于實(shí)驗(yàn)室測(cè)控系統(tǒng)采用的只有科研人員能夠操作的分立測(cè)控設(shè)備，啟科量子的離子阱量子計(jì)算工程機(jī)采用了集成一體化測(cè)控，所有儀器設(shè)備的操控均可通過同一測(cè)控系統(tǒng)來完成，為未來商業(yè)化，接入混合云算力奠定了非常重要的基礎(chǔ)。

而離子阱領(lǐng)域的核心痛點(diǎn)芯片問題，其設(shè)計(jì)的離子阱芯片結(jié)構(gòu)和制造工藝已經(jīng)達(dá)到能夠維持適合該特定離子種類的RF電壓，并能極盡減少射頻場(chǎng)與襯底的耦合。根據(jù)啟科量子相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，其設(shè)計(jì)的離子阱芯片的所有材料均與超高真空環(huán)境兼容，并且在激光源、檢測(cè)器和離子之間永有通暢無阻的光學(xué)通路，并且其較低的表面粗糙度成功減少了冗余的激光散射，避免了芯片在低溫下的異常加熱情況。

這些，均得益于啟科量子核心團(tuán)隊(duì)二十余年離子阱領(lǐng)域的深耕和鉆研。而離子阱量子計(jì)算工程機(jī)誕生后產(chǎn)生的潛力可以用不可估量來形容。

量子技術(shù)

全球產(chǎn)業(yè)鏈布局的關(guān)鍵密鑰

2023年，AI浪潮洶洶來襲。

據(jù)《元宇宙日?qǐng)?bào)》統(tǒng)計(jì)，截至3月底，已有20家上市公司布局了AIGC相關(guān)應(yīng)用。而這波浪潮，到現(xiàn)在為止只能說剛剛開始。

而誰能取得最終的勝利，差距主要在于算力。

毫無異議，AIGC越深入，算力壓力越高。如今，各地方大力布局大數(shù)據(jù)中心便是證明。速度快超級(jí)計(jì)算機(jī)一百萬億倍的光量子計(jì)算系統(tǒng)，便是未來AI無限深化的基石。

同理，作為全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)關(guān)鍵密鑰的量子技術(shù)，未來在供應(yīng)鏈、金融、制藥、化工、交通、汽車、物流、航空、能源、氣象等領(lǐng)域都將注入“經(jīng)典—量子”異構(gòu)算力，為各產(chǎn)業(yè)帶來裂變式的顛覆。

所以，量子科技被認(rèn)為是引爆第四次科技革命的關(guān)鍵，因此從政府到各企業(yè)，全都蓄勢(shì)待發(fā)。但這一奇跡到底是什么樣子？什么時(shí)候出現(xiàn)？誰第一個(gè)建出來？這些都是未知的。我們唯一所知的是，它需要時(shí)間，但總有一天會(huì)出現(xiàn)。

如今，如約誕生出國內(nèi)第一臺(tái)模塊化離子阱量子計(jì)算工程機(jī)的啟科量子，其長期目標(biāo)是持續(xù)進(jìn)行分布式離子阱量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，建立通信與計(jì)算相結(jié)合的第三代量子網(wǎng)絡(luò)：即以連接量子計(jì)算機(jī)為核心的量子互聯(lián)網(wǎng)，縮短與國外的離子阱量子計(jì)算機(jī)研發(fā)差距，甚至實(shí)現(xiàn)技術(shù)超越，打造離子阱量子計(jì)算領(lǐng)域的“中國名片”。