中國自主研發超導量子計算機上線，「我們要死死咬住他們」|專訪

量子計算實用化的布局競賽裡，中國走出了第一步。

9 月 12 日，本源量子公司上線了量子計算雲平臺，這是中國首個接入實體量子計算機的量子計算雲平臺。

本源量子自主研發的量子計算機名為悟源，其核心硬體是 6-Qubit 夸父晶片。

圖 | 6-Qubit夸父晶片（來源：本源量子）

「除了機箱，也就是制冷機，其它的我們都是能夠自主可控研發，或者來找國內的廠商來製造的。」本源量子計算公司副總裁張輝向 Deeptech 表示，他是中科院量子信息重點實驗室博士，師承中國量子信息奠基人郭光燦院士。

相比於 IBM 目前在雲平臺上提供的高達 50 個量子比特的系統，6 個量子比特只是其在 2017 年的最初水平。

郭光燦院士在發布會上表示：從更高的角度看，6 個量子比特太少了…… 但我們更看重的是，我們將來有可能往前做的、實用的這條路，並走出第一步。

目前，本源量子獲得資本市場追逐，正在談第三輪融資，消息很快會在 10 月份公布，預計明年春天的第四輪融資，也已經有資方表達了意願。

但壓力與危機也不小，張輝稱，現在不敢保證本源量子不會成為這一賽道上的先烈，不過他相信，「就是本源成了烈士，我們這一批人，一定是中國量子計算的第一批人才，對中國未來量子計算這樣一件事，會是非常大的價值。」

開啟中國量子計算機應用

此次推出的 6 比特量子計算機 「悟源」，其中的夸父晶片由 6 個基於約瑟夫森結的超導量子比特構成。「悟源」 對標的是 IBM 於 2017 年在雲端發布的 5 比特量子計算機。

發布會公布的關鍵參數，即量子邏輯門保真度、量子比特讀取的保真度上，均超出了 IBM 在 2017 年的指標。

圖 | 悟源和 IBM 的參數比較（來源：本源量子）

目前，悟源絕大多數部件都實現了自主研發，唯一的例外是外層制冷機，源於進口技術，這是由於量子晶片需要在接近零度的低溫環境下工作，要求很高。

目前，國外只有極少數幾家公司壟斷了相關的技術。不過，本源量子輪值董事長、量子測控總監孔偉成表示，合作單位正在努力，最早在明年能見到國產制冷機系統。

與雲平臺一起發布的，還有第二代量子測控一體機，以及三個基於量子算法的應用軟體。

量子晶片的測控技術是讓晶片發揮作用的關鍵。

提供量子晶片運行所需的關鍵信號，同時負責對量子晶片傳回信息的處理，並執行對量子電腦程式的編譯。實現這些功能的專用系統就是量子測控一體機。

今年發布的第二代量子測控一體機，從 2018 年的支持 8 位比特的量子晶片運行，提升為支持 32 位。支持 216 通道，並具備 200ps 同步穩定性。

圖 | 量子測控一體機（來源：本源量子）

孔偉成介紹，量子測控一體機的升級，使團隊能夠在更大規模的量子計算機的研發當中保持效率。

在量子計算的應用上，本源此次開發了三款應用軟體。分別是複雜網絡的排序應用、手寫數字識別、用戶偏好的行為預測。

複雜網絡排序應用可以對複雜網絡節點進行重要性綜合評價，探究網絡影響力最大化問題；手寫數字識別利用量子算法和經典算法混合實現；用戶偏好行為預測通過實現量子關聯規則挖掘算法，加速挖掘分析複雜關聯數據之間的內在聯繫。

產品發布的尾聲，本源量子表示，2021 年底將上線搭載 60 位比特量子晶片的第二代超導量子計算機物源。

而在另一技術路上，將發布基於半導體量子晶片的量子計算機。

張輝介紹，目前在產業上，本源量子主要的合作方向是軍工、金融、生物醫藥、人工智慧。他看來，這也是未來量子計算最有可能先實現應用優勢的領域。

就時間發展而言，在近五年內，國際領先的量子計算水平很可能在具體應用實例上展現出優越性。

2017 年起，摩根大通和巴克萊開始使用 IBM 的量子云計算功能，運用特定算法加速優化其投資組合。

今年，本源量子尋找到第一個金融領域的合作夥伴。中國建設銀行旗下金融科技的子公司建信金融科技與本源量子合作，設立了量子金融實驗室。

張輝告訴 Deeptech，本源量子 2018 年就建立了產業聯盟，金融作為比較重點的部署，直到今年才真正找到了真心想做這方面硬科技的一個夥伴。

張輝說，「中國其實很缺做這種原創性的科技，從實驗室到最終變成產品的中間這過程。相信也會有越來越多的夥伴能意識到這個問題。」

圖 | 本源量子計算平臺開放的功能（來源：本源量子）

量子計算競賽，商業應用尚在探索

量子計算的優越性來自於量子疊加的物理性質。

如果用量子態編碼信息，應用量子疊加的物理性質，理論上來說，N 個量子比特可以同時保存和處理的信息是 2 的 N 次方。相比較之下，N 個經典比特同時只能保存和處理一條信息。利用這個優勢，量子算法在特定應用場景中，可以獲得遠超經典量子計算機性能的總和。

目前，量子計算的優越性已經得到部分證明。而量子算法需要和不同領域繼續碰撞，才能夠找到落地應用的具體場景和關鍵點。

加速量子計算運用的發展，首先需要讓更多人使用量子計算機。量子云平臺由此而生。

最早推出量子計算雲平臺是 IBM，其在 2016 年就上線了基於真實量子計算機的雲平臺 IBM Q Experience，最早發布的是 5 量子比特的計算系統，目前可以提供最高 53 比特的量子計算系統。

在 2019 年，亞馬遜、微軟先後上線了量子計算雲平臺 Braket 與 Azure Quantum。兩者都通過其雲平臺，向用戶同時提供來自不同初創公司的量子計算機服務。

其中，亞馬遜是唯一公開收費標準的量子計算雲平臺。其雲平臺除了支持量子算法，還支持量子和經典系統結合使用的混合算法，目前最高能夠提供 35 量子比特的系統。除了量子算法，客戶還可以使用 Braket 來設計運行混合算法。

圖 | 亞馬遜量子計算雲平臺 Braket 收費標準（來源：AWS）

為亞馬遜雲平臺提供量子計算設備的三家公司分別為 IonQ，Rigetti 和 D-waves。後兩家公司也分別開放了獨立的雲平臺。

這三臺設備分別對應量子計算的三種實現方法：

IonQ 基於離子阱技術的量子計算機；Rigetti 基於超導技術的量子計算機；D-Waves 基於超導的退火量子計算機。

其中，D-waves 的退火量子計算機是一種專用量子計算機，通過對熱力學中退火過程的模擬，運行特定的算法。這一專用量子計算機的優勢是能夠快速求解組合優化問題，在機器學習和深度學習等領域具有優勢。

從物理器件層面來看，退火量子計算機屬於超導技術路線。而在目前，用何種物理體系能最終實現量子計算，學界及產業界尚未有一致性的意見，因此不同的路線都有人在進行嘗試。

總體而言，常見的技術路線有五種：超導電路，半導體量子點，離子阱，光學，拓撲。而在工程製造層面，超導電路和半導體量子點兩種技術路線發展較快。一是目前的半導體和集成電路工藝較為成熟，二是這兩種路線較有希望和已有的經典計算機兼容。

量子晶片的基本單位是量子比特，通過物理器件實現量子比特之後，技術關鍵點是提高量子比特數量的同時，提高量子比特邏輯門的精度。

目前 IBM 能夠在 53 個量子比特上實現 99% 以上的量子邏輯門保真度，以及 98.8% 的量子比特讀取保真度。

影響量子比特邏輯門精度的重要參數是退相干時間。量子的相干性會隨時間而快速消失，量子系統也就隨之變成經典系統。因此退相干時間越長，量子系統越穩定。

超導量子系統自實現以來僅有 21 年的歷史，通過材料的改進，退相干系統的時間從小於 1 微秒延長到了 200 微秒以上。

在 2019 年底，谷歌宣布，在其 Sycamore 的晶片上，能夠花幾分鐘的時間執行一項計算，而同樣的任務在最強大的經典計算機上實現則需要一萬年。Sycamore 晶片一共有 140 個量子比特，用於完成計算任務的比特數為 53。

圖 | Sycamore 晶片(來源：谷歌）

雖然遭到了 IBM 的質疑，依舊可以認為在一個數學問題上，谷歌驗證了量子算法優越性。但是這與實際應用尚有一段距離。

目前在研究層面，雖然已經設計出多種說明 「量子優越性」 的算法，實際上並沒有在現實中的成熟應用。

目前量子計算機仍舊處於經典計算機的「電晶體時代」，尚未實現首個普適性行業應用案例。

近日，IBM 又研製出了 65 位的量子計算機，成為目前最強的計算機。

業界普遍認為，要實現 100 萬個量子比特，才能夠實現通用量子計算機。不過短期技術目標是中等規模的專用量子晶片。

已有研究表明，有一類的算法可以允許噪聲存在，也就是量子操作過程中可以有一定的偏差。利用噪聲的均勻分布，或是尋找優化解使得計算依舊可以進行。基於這類技術可以實現含噪聲中型量子（NISQ）計算機。

成立三年，已經賣出首個原型機

本源量子成立於 2017 年，依託於中科大中科院量子信息重點實驗室，團隊的核心成員即是實驗室的博士生團隊。創始人是實驗室副主任郭國平教授，實驗室主任郭光燦院士任科學顧問。

張輝介紹，早在 13、14 年的時候，郭光燦、郭國平兩位創始人就有了辦企業的想法。這是由於他們意識到，量子計算機是一個工程化的問題，停留在高校的學術研究層面，是無法造出量子計算機的。

而由於當時國內沒有做量子計算的企業，實驗室的博士畢業沒有相關領域的職位，只有轉行。這導致量子計算領域的人才一直在流失。而國外的產業化已起步，工藝上的積累一旦開始，國內外的差距必然逐年加大。

在 2015 年，兩位創始人曾希望國內的網際網路或 IT 公司有人願意做這樣的項目，並為此召開過一次會議，但由於量子計算技術距離產業化至少需要十年起步，資本方投入的意願不大。

直到 2017 年，郭國平在黨校培訓時遇到了兩位願意投資的產業人士，得到了種子輪的啟動投資。「再不做的話，可能再過 3 到 5 年乾脆就別做了，因為完全沒機會了，現在這個點還有機會。」張輝回憶當時的關鍵時間點時表示。

2017 年，是全球量子計算技術走出實驗室的關鍵一年。谷歌和微軟聘用了量子計算的頂尖人才，開始向這一領域加大投入，同時美國高校裡的教授也開始進行產業化嘗試。

郭光燦和郭國平以教授身份開始創業，最初也有一個單純的想法，就是通過一個平臺，把量子計算領域的人才留住，聚集起來才可以一起做事情。張輝是郭國平的第一個博士生，畢業後在上海從事招商金融相關的工作，2019 年正式加入了本源量子。

目前本源三個技術總監都是 2018、2019 年畢業的博士生。從實驗室出來後直接繼續做產業方面的研究。而像張輝這樣早期畢業的人則「做一些支撐工作，幫師弟們創建更好的平臺。」

起步稍晚，資金和團隊也是後來才好轉，本源目前在追趕以 IBM 為代表的國際領先水平，搶佔量子技術高地。

目前本源在進行中的, 有超導和半導體量子點兩條技術路線。張輝介紹，在軟體方面與國外差距不大，主要的差距在工程化方面，在超導方向上有四五年的差距，而半導體方向上，由於實驗室原來已經進行了十五年研究，有一兩年的差距。

「這個差距只會大，不會小。」張輝強調，這個結果，是本源用內部最強的數據和公開數據進行比較得出的，而國外實驗室內部完全可能正在迭代。

「我們要做的是儘可能不要被他們再拉大差距，或者說，我們要死死地咬住他們。」

成立剛剛滿三年，本源量子在今年售出了第一臺量子計算原型機。量子計算的人才更多地聚集過來，政策和外部環境也開始重視量子計算，這讓團隊更有信心。

目前中國量子計算領域的人才非常缺乏，這一領域處於量子力學和計算機學科的交叉地帶。張輝形容，「現在只能招到二分之一的人才」，或者物理學背景好，能夠做基礎的原創性工作；要麼是計算機背景，招進來後學習量子計算、線性代數、邏輯編程等方面的原理，進行軟體編程的工作。這一塊，未來本源會專門成立量子教育的子公司。

圖 | 本源團隊編纂的國內第一部量子計算與編程教材（來源：本源量子）

在營收上，量子計算的主要業務目前尚不考慮營收，未來三到五年最主要的商業模式將是量子計算原型機的整機銷售和配套服務，以及量子計算的相關零件設備銷售。此外，在和企業的合作中，IP 共享和授權會逐漸帶來營收。

目前本源量子已經獲得了 400 項專利，2019 年底，在全球量子計算發明專利排行榜上躋身 12 位。作為一個三年的初創公司，這一點讓本源對自己的技術感到驕傲。

量子計算機的成熟技術，一定是人類集體智慧的產物。本源量子想做的就是，搶佔到未來量子計算的核心專利，未來有和國際競爭的實力。這樣，「在整個人類的量子計算上，我們是有中國人的這一筆的。」