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    • ?01量子計(jì)算機(jī)大戰(zhàn)正酣
    • ?02量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模應(yīng)用前夜,這是關(guān)鍵
    • ?03提前布局Q-EDA,把握下一世代機(jī)遇
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量子計(jì)算大戰(zhàn)正酣,中國(guó)提前布局這一關(guān)鍵領(lǐng)域

06/09 10:50
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作者:鵬程

量子計(jì)算機(jī)(quantum computer)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。廣義上,當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息,運(yùn)行的是量子算法時(shí),就可稱之為量子計(jì)算機(jī)。

?01量子計(jì)算機(jī)大戰(zhàn)正酣

2019?年,美國(guó)谷歌公司研制出?53?個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)?“懸鈴木”,在全球首次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性,開啟了量子計(jì)算的新時(shí)代。2024?年底,谷歌亮出新一代?Willow?芯片,展現(xiàn)出強(qiáng)大的計(jì)算能力,5?分鐘就能搞定傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需?10?的?25?次方年才能算完的題目。

2025?年,微軟發(fā)布了全球首款基于拓?fù)淞孔颖忍丶軜?gòu)的量子計(jì)算芯片?Majorana 1。該芯片采用半導(dǎo)體砷化銦與超導(dǎo)體鋁合成的拓?fù)鋵?dǎo)體材料,通過操控馬約拉納粒子實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性量子位運(yùn)算。作為微軟近?20?年拓?fù)淞孔友芯康暮诵某晒?,Majorana 1?首次驗(yàn)證了單芯片擴(kuò)展至百萬量子位的技術(shù)可行性,被應(yīng)用于數(shù)學(xué)問題驗(yàn)證與原型機(jī)開發(fā),有望推動(dòng)材料科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域取得重大突破。

在國(guó)際上,其他國(guó)家也在積極推進(jìn)量子計(jì)算的發(fā)展。

2025?年?3?月,芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心和?IQM?量子計(jì)算機(jī)公司推出歐洲首臺(tái)?50?量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。芬蘭于?2020?年?11?月首次公布其在量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展計(jì)劃,政府共撥款?2070?萬歐元用于開發(fā)?50?量子比特量子計(jì)算機(jī)。該計(jì)劃分三個(gè)階段,2021?年研發(fā)出?5?量子比特量子計(jì)算機(jī),2023?年研發(fā)出?20?量子比特量子計(jì)算機(jī),50?量子比特量子計(jì)算機(jī)的推出標(biāo)志著第三階段完成。

此外,加拿大?Xanadu?量子技術(shù)公司開發(fā)出全球首臺(tái)可擴(kuò)展光量子計(jì)算機(jī)原型,研究人員采用了模塊化設(shè)計(jì)理念來構(gòu)建這臺(tái)量子計(jì)算機(jī),初始階段構(gòu)建一個(gè)包含少量量子位的基本單元,適用于最基礎(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)景,隨著需求增長(zhǎng),可以通過添加更多相同類型的單元來擴(kuò)展計(jì)算能力,這些單元通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作,共同構(gòu)成一臺(tái)大型計(jì)算機(jī),每個(gè)新增的單元或量子服務(wù)器機(jī)架都會(huì)增加整體處理能力,由于整個(gè)系統(tǒng)基于光子技術(shù),因此無需將光子組件與傳統(tǒng)電子組件結(jié)合使用。

在國(guó)內(nèi),2020年,潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建?76?個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)?“九章”,使中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國(guó)家,在量子計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)了重要一席之地。2021?年,潘建偉團(tuán)隊(duì)再接再厲,成功研制含?113?個(gè)光子的?“九章二號(hào)”?和?66?比特的?“祖沖之二號(hào)”?量子計(jì)算原型機(jī),讓中國(guó)成為在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線上都實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國(guó)家,進(jìn)一步鞏固了中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。2023?年?10?月?11?日,量子計(jì)算原型機(jī)?“九章三號(hào)”?成功構(gòu)建,其計(jì)算能力令人驚嘆,1?微秒可算出的最復(fù)雜樣本,當(dāng)前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)約需?200?億年才能完成。2025?年?3?月?21?日,潘建偉院士團(tuán)隊(duì)正式發(fā)布光子量子計(jì)算機(jī)?“九章?4?號(hào)”,實(shí)現(xiàn)了?3000?個(gè)光子協(xié)同操控,單比特誤差率僅?0.001%,處理高斯玻色取樣任務(wù)的速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)快?10^32?倍,再次刷新了量子計(jì)算的速度紀(jì)錄。

本源量子計(jì)算科技(合肥)股份有限公司于2024年1月6日上線運(yùn)行了我國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”。該量子計(jì)算機(jī)搭載72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”,是目前先進(jìn)的可編程、可交付超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)??蒲腥藛T介紹,超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)是基于超導(dǎo)電路量子芯片的量子計(jì)算機(jī),國(guó)際上,IBM與谷歌量子計(jì)算機(jī)均采用超導(dǎo)技術(shù)路線?!氨驹次蚩铡逼ヅ淞吮驹吹谌孔佑?jì)算測(cè)控系統(tǒng)“本源天機(jī)”,真正落地了量子芯片的批量自動(dòng)化測(cè)試,大大提升了量子計(jì)算機(jī)的整機(jī)運(yùn)行效率。其搭載的72位超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”,共有198個(gè)量子比特,其中包含72個(gè)工作量子比特和126個(gè)耦合器量子比特。截至今年6月4日,“本源悟空”已為143個(gè)國(guó)家和地區(qū)的用戶完成超50萬個(gè)量子計(jì)算任務(wù),全球訪問量突破2900萬次,刷新中國(guó)自主量子算力服務(wù)規(guī)模紀(jì)錄,成為全球量子計(jì)算領(lǐng)域的重要參與者。2025年6月,我國(guó)首條量子芯片生產(chǎn)線在合肥正式啟用,年產(chǎn)能達(dá)1000片,標(biāo)志著量子計(jì)算技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室邁向產(chǎn)業(yè)化。該生產(chǎn)線由本源量子建設(shè),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、流片封裝測(cè)試全流程國(guó)產(chǎn)化,關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率超90%,突破歐美技術(shù)壟斷。

中電信量子信息科技集團(tuán)有限公司于2024年12月正式發(fā)布全國(guó)單臺(tái)比特?cái)?shù)最多的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)?“天衍?504”,標(biāo)志著其具備了全球領(lǐng)先的量子計(jì)算機(jī)制造和交付能力。2023?年?11?月,中國(guó)電信發(fā)布了全球首個(gè)具備量子優(yōu)越性能力的超量融合云平臺(tái)?——“天衍”?量子計(jì)算云平臺(tái),通過?“天翼云”?超算算力和?176?個(gè)超導(dǎo)量子比特算力的融合,為各類用戶提供便捷簡(jiǎn)單的量子計(jì)算服務(wù)。2024?年?4?月,504?比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片?“驍鴻”?交付?;?“驍鴻”?芯片,中電信量子集團(tuán)和科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司聯(lián)合研發(fā)出國(guó)內(nèi)單臺(tái)比特?cái)?shù)最多的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)?“天衍?504”,并通過?“天衍”?量子計(jì)算云平臺(tái)向全球開放。該平臺(tái)由一臺(tái)?24?比特、兩臺(tái)?176?比特和一臺(tái)?504?比特量子計(jì)算機(jī)組成國(guó)內(nèi)最大的量子計(jì)算集群,并提供?5?類運(yùn)算性能世界一流的高性能仿真機(jī)和?Cqlib?量子編程框架,實(shí)現(xiàn)了算力規(guī)模和算力類型的雙重升級(jí)。

?02量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模應(yīng)用前夜,這是關(guān)鍵

盡管量子計(jì)算取得了顯著進(jìn)展,但要研制成功真正的通用量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走,國(guó)際主流觀點(diǎn)認(rèn)為,這至少還需要?5?年到?10?年的時(shí)間。IBM?在?2019?年提出刻畫量子芯片性能的?“量子摩爾定律”,即量子芯片的量子體積每年至少增加一倍。隨著量子比特?cái)?shù)的指數(shù)性增長(zhǎng),對(duì)于量子電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的需求也越來越大,而?Q-EDA?工具可以有效提升量子芯片研發(fā)的效率。

2021?年?3?月,IBM?推出了?Qiskit Metal,一款基于?Python?用于超導(dǎo)量子芯片的開源電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件。2021?年?6?月,芬蘭量子硬件初創(chuàng)公司?IQM?公布了其開源軟件工具?KQCircuits,用于超導(dǎo)量子芯片版圖的自動(dòng)化設(shè)計(jì),通過該工具可以對(duì)芯片版圖進(jìn)行一定程度的檢查優(yōu)化,減少微納加工的成本。2022?年?3?月,百度量子計(jì)算研究所在國(guó)際頂會(huì)?QIP2022?上介紹了其在量子芯片自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具方面的研發(fā)進(jìn)展,支持?2D?與?3D?超導(dǎo)量子芯片的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和仿真,給定設(shè)計(jì)任務(wù),能夠生成量子芯片的版圖以及微納加工所需的?gds?文件,并對(duì)量子芯片性能進(jìn)行仿真,整個(gè)設(shè)計(jì)和仿真過程均可自動(dòng)化地進(jìn)行,大大提升了量子芯片研發(fā)的效率。如今全球各大頂級(jí)高科技公司和高校正逐步投入研究力量開展?QEDA?工具的研發(fā),積極布局未來量子芯片市場(chǎng),以期在未來量子優(yōu)勢(shì)的競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。

?03提前布局Q-EDA,把握下一世代機(jī)遇

與傳統(tǒng)?EDA?自上而下規(guī)范化的集成電路設(shè)計(jì)檢驗(yàn)流程相比,目前業(yè)界典型的量子芯片設(shè)計(jì)非常類似于早期的?CAD?計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),過度依賴實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),量子芯片的設(shè)計(jì)與研發(fā)相對(duì)隨意,設(shè)計(jì)人員需要在多個(gè)不同的軟件之間輾轉(zhuǎn),手動(dòng)完成量子芯片設(shè)計(jì)、布線等工作,此方法在研發(fā)小規(guī)模量子芯片時(shí)勉強(qiáng)夠用,但隨著量子比特?cái)?shù)目的增加,利用人工設(shè)計(jì)成千上萬乃至百萬量子比特構(gòu)成的量子芯片顯然是不現(xiàn)實(shí)的,因此,量子電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的研發(fā)勢(shì)在必行。

芯片設(shè)計(jì)高度依賴EDA軟件,如果說光刻機(jī)是“芯片之父”,負(fù)責(zé)將芯片設(shè)計(jì)付諸物理實(shí)現(xiàn),那么EDA便是“芯片之母”。在量子計(jì)算時(shí)代,Q-EDA作為量子芯片設(shè)計(jì)的核心工具,其自主化研發(fā)已成為突破技術(shù)封鎖、搶占產(chǎn)業(yè)先機(jī)的關(guān)鍵。

但當(dāng)前在傳統(tǒng)芯片?EDA?領(lǐng)域,我國(guó)由于起步晚,一直處于追趕地位,如今量子計(jì)算機(jī)時(shí)代,急需提前布局把握機(jī)遇。芯片設(shè)計(jì)離不開?EDA?設(shè)計(jì)軟件,為使國(guó)內(nèi)的量子科技公司在與外國(guó)科技巨頭競(jìng)爭(zhēng)中不再落后,避免在量子計(jì)算機(jī)時(shí)代再像傳統(tǒng)芯片?EDA?那樣受制于人,2022?年初,本源量子發(fā)布國(guó)內(nèi)首個(gè)量子芯片設(shè)計(jì)工業(yè)軟件?“Q-EDA”?本源坤元,它能同時(shí)支持超導(dǎo)和半導(dǎo)體量子芯片自動(dòng)化設(shè)計(jì),是高效進(jìn)行大規(guī)模量子芯片工程設(shè)計(jì)的必要工具。

近日,安徽省量子計(jì)算芯片重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)布消息,國(guó)產(chǎn)量子芯片設(shè)計(jì)工業(yè)軟件Q-EDA“本源坤元”完成第5次技術(shù)迭代。此次迭代成功突破大規(guī)模量子芯片設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸,為我國(guó)量子芯片自主研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程注入新動(dòng)能。

“本源坤元”?由本源科儀?(成都)?科技有限公司完全自主研發(fā),自?2022?年首次發(fā)布并填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白以來,“本源坤元”?圍繞?“大規(guī)模、高精度、自動(dòng)化”?目標(biāo),已穩(wěn)步完成?5?次迭代升級(jí)。以?72?比特量子芯片設(shè)計(jì)為例,此次迭代后的?“本源坤元”?在工藝設(shè)計(jì)套件的支持下,已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化一站式快速版圖生成,僅需?6?分?50?秒即可完成?72?比特芯片的完整版圖繪制。

設(shè)計(jì)量子芯片就像建造房屋,既要精心規(guī)劃空間布局?(量子芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)),又要優(yōu)化關(guān)鍵的?“水電布線”(量子比特連接)。本源科儀?(成都)?科技有限公司總經(jīng)理李舒嘯介紹,“本源坤元”?第?5?版核心突破在于布線靈活性的全面升級(jí),創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了空間極限場(chǎng)景下的全自動(dòng)布線功能,并靈活提供多種半自動(dòng)修線工具,且兼顧了設(shè)計(jì)效率與操作自由度。安徽省量子計(jì)算芯片重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭國(guó)平表示,此次軟件升級(jí)進(jìn)一步突破了大規(guī)模量子芯片設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸,成功實(shí)現(xiàn)千萬級(jí)網(wǎng)格量的建模和量子芯片參數(shù)數(shù)值計(jì)算,有力增強(qiáng)了我國(guó)在量子計(jì)算核心環(huán)節(jié)的競(jìng)爭(zhēng)力。

在量子計(jì)算這場(chǎng)激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)中,中國(guó)通過在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)和?Q-EDA?工具布局等關(guān)鍵領(lǐng)域的提前規(guī)劃和持續(xù)投入,正逐步在量子計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位,為未來在量子科技時(shí)代的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn),中國(guó)有望在量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大的突破,引領(lǐng)全球量子科技的發(fā)展潮流。

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