“本源悟空”：中國最新款量子計算機

2024年1月6日，我國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”上線運行。隨后，“本源悟空”向全球用戶限時免費開放，接收量子計算任務，吸引了125個國家超千萬人次訪問。截至目前，“本源悟空”已完成25萬多個項目。

“本源悟空”量子計算機搭載的是72位自主超導量子芯片“悟空芯”。它真的有如孫悟空般強大的本領嗎？它攻克了哪些技術難關？有哪些實際應用？

中國造量子計算機已被“用起來”

上線數月，“本源悟空”用戶任務需求仍在不斷增長排名前三的國家有美國、加拿大和日本，且已收到付費運算請求。

“本源悟空”研制團隊負責人、中國科學技術大學教授郭國平曾說：“科技自立自強不只是發論文做實驗，而是要研發并制造出一個個科技產品，讓經濟主戰場能用，讓國家重大需求有科技解決方案。我們要造中國自主量子計算機，讓中國量子計算機參與國際經濟合作。”

2024年4月，“本源悟空”成功裝備了國內首個PQC（Post Quantum Cryptography，后量子密碼）“抗量子攻擊護盾”——PQC混合加密方法。這使得“本源悟空”能更好地抵御其他量子計算機的攻擊，確保運行數據安全，也是中國數據安全新技術應用的一次重要探索。

現在，“中國造”量子計算機“本源悟空”已上線多款真機應用，涉及金融科技、量子人工智能、生物醫藥等領域，用戶登錄本源量子計算云平臺即可使用，升級版的“本源悟空2號”也在加速攻關中……

這臺量子計算機的“心臟”，叫“悟空芯”

“本源悟空”搭載72位自主超導量子芯片“悟空芯”，由本源量子計算科技（合肥）股份有限公司（簡稱“本源量子”）團隊研制而成，是目前我國最先進的可編程、可交付超導量子計算機。

生產線上的“悟空芯”誕生記——

“悟空芯”由中國首個自主量子芯片設計軟件本源坤元Q-EDA設計。

“悟空芯”采用了72個計算量子比特的設計方案，還包含126個耦合器量子比特，共198個量子比特。

“悟空芯”在我國第一條量子芯片生產線上誕生。這條生產線導入了量子芯片激光退火儀、量子芯片無塤探針臺等自主研發的量子芯片工業母機設備。

一塊“悟空芯”制造出來要經過上百個工藝步驟，其中有許多光刻過程。光刻就是將光刻板上的圖案映射到芯片上，定義芯片想要的結構，它是非常重要的步驟。同時，“悟空芯”對環境要求很高，正常工作溫度在20毫開爾文左右，接近“絕對零度”（-273.15℃），在這個溫度下用到的所有物料都要經過計算、論證、測試和批量驗證，全部測試合格后才能使用。

量子計算機不是一臺，而是一群

在本源量子計算機組裝與測試實驗室里，5臺超導量子計算機一字排開，“本源悟空”是其中的一臺。《西游記》中孫悟空吹出毫毛可以“變”出孫悟空，在這里，一群量子計算機是我國自主超導量子計算機制造鏈“造”出來的。

量子計算機整機包含量子芯片、量子計算測控系統、操作系統、應用軟件等。“本源悟空”這四個方面目前均自主可控，國產化率已超過80%，其余部件已自研備用。

量子芯片“悟空芯”是“量子計算大腦”，需要在-273.12℃或更低的極低溫環境中運行。高密度微波互連模組猶如神經網絡，為“量子計算大腦”與外部設備之間的量子信息傳輸建立起高速、穩定的通道。在這一模組中，有一根至關重要的“線”：極低溫特種高頻同軸線纜。這根線曾一度被國外壟斷，導致采購價格高昂。本源量子研制團隊聯合中電科40所攻關研制出國產高密度微波互連模組，在極低熱泄漏環境下實現微波信號的跨溫區穩定傳輸，讓量子芯片能夠發揮出更強大的計算能力。

“本源悟空”搭載了中國首個自主量子計算測控系統“本源天機”。量子計算測控系統能夠提供量子芯片所需的精密信號的生成、采集、控制與處理，使得量子芯片最大程度發揮其性能優勢，在量子計算機中不可或缺。“本源天機”在國內首次真正落地了量子芯片的批量自動化測試。

“本源悟空”搭載了中國首個量子計算機操作系統“本源司南”3.0版本。操作系統是管理計算機軟硬件的“大管家”，也是決定其性能的關鍵技術領域。一個好的操作系統，可以統一調度管理計算資源，讓量子計算機的運行更加高效、穩定。“本源司南”在國內首次支持量子計算任務批處理，能夠支持量超協同計算，可高效調度量子計算資源，使量子計算機整機運行效率提升數十倍。

在“本源悟空”研制過程中，稀釋制冷機、高密度微波互連模組、量子芯片生產工業母機設備等一臺臺關鍵部件誕生，我國超導量子計算機自主制造鏈基本成形。

中國自主量子計算機發展經歷多代科學家接力

1998年，中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦正在籌辦“量子通信和量子計算”香山科學會議。為了擴大會議影響，想邀請一位“大人物”來主持會議，這位“大人物”就是“兩彈一星”元勛錢學森。

在致錢學森的信中，郭光燦院士大膽建議“要拿出當年搞‘兩彈一星’的精神來搞量子信息”，并熱切邀請錢學森主持會議。沒過多久，郭光燦就收到了錢學森的回信。錢學森高度贊同他的觀點，認為“我國應集全國力量xVh4u0HVdZJTFucEPVJs6XBrpUXKGFt6yimbftRVe6g=攻克量子信息系統的技術問題”。盡管錢學森因身體原因未能參會，但他的支持如曙光一般照亮了中國量子科學研究的前程。

從那時起，郭光燦院士開始申請相關研究項目。2001年，他獲得了我國首個量子信息領域的國家級重大項目資助。2010年，郭光燦院士的學生郭國平接過接力棒，擔任了“固態量子芯片研究”重大專項首席科學家。

超級未來“工業加速器”

在量子計算機賽道，國際科技競爭已經白熱化。各國為何如此重視量子計算機？因為量子計算機是一個超級未來“工業加速器”，有諸多優勢。

優勢1：和穩定運行的量子計算機對比，現有最快的算力只如同一把“算盤”。2023年，谷歌做了一項對比測試，同一運算問題谷歌量子計算機用時3分鐘，最快超算可能需要用時約50年。

優勢2：量子計算機的強大算力可以快速找到一個自然界并不存在的分子結構，從而幫助藥企縮短新藥研發時間，使其藥品研發能力在全球獲得競爭優勢。

優勢3：量子計算機可以作為超級計算機的加速組件，將計算任務在量子計算機和超級計算機之間進行分解、調度和分配，實現量子計算機和超級計算機的高效協同，可以在大幅節約資源的情況下，雙向發揮量子計算機和超級計算機各自的優勢。

研發故事

中國最早的量子計算研究團隊成立，一名團隊成員以自己一生的工資為抵押，貸出了800萬元研究經費，起步中國量子計算研究。

為了找出最好的量子芯片封裝盒，研究人員需要在眾多封裝盒中篩選，而72比特量子芯片封裝盒有接近300個端口，每個端口都要測試5次以上，一個封裝盒就要測1500次。封裝盒，僅僅是“本源悟空”研制中的一個環節。

關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。“本源悟空”研制經費每年投入過億，雖然過程很艱難，但研制團隊始終堅持中國的量子計算機核心技術一定要牢牢掌握在中國人自己手里。

知識鏈接

量子計算

第一次量子革命伴隨量子力學的誕生而來，讓我們擁有了原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛星定位等重大技術。當前，人類社會正進入第二次量子革命，其中最重要的技術就是量子計算，這是一項顛覆性技術。

量子計算如果得到普遍應用，量子算力將以指數級增長，為人類社會帶來翻天覆地的變化。例如，現行的公鑰密碼體系在算力足夠強大的量子計算機面前，將會像一張白紙被輕易攻破；耗時動輒數十年的新藥研發，引入量子算力后，有可能在幾天內完成……

作者單位 本源量子計算科技（合肥）股份有限公司

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