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张德山

中国科技大学开发了具有自主知识产权的量子计算机控制系统

    作者:孙振和李嘉林。最近,在中国科技大学中国科学院量子信息重点实验室,几位研究人员正在操作一个20英寸的行李大小的仪器来调试量子芯片。几周前,完成这些操作需要一个装满设备的房间。该箱式仪器是中国科技大学郭光灿院士、郭国平、孔伟成等人最近研制成功的量子计算机控制系统。中国科学院量子信息重点实验室副主任郭国平说,原有量子测控一体化计算机是中国自主开发的第一台量子计算机控制系统。h可以实现量子芯片的操作,充分发挥其性能优势。它的成功开发是向矢量子计算机迈出的重要一步。量子测控集成机是实现对大型量子芯片的精确测控的产品。郭国平用经典计算机作为比喻:“实际上,量子芯片就像传统的计算机CPU一样,在正常工作时需要一个控制系统来支持它,就像我们的计算机主机具有一系列硬件,如主板、存储器、电源等,为处理器提供了功能环境。量子芯片也需要这样的环境。我们将此环境定义为量子计算机控制系统。量子测控集成机就是这个系统。它是除了量子芯片之外的所有量子计算机的硬件组件。在开发集成量子测控机之前,研究人员希望使用许多仪器来操纵量子位,其中一些仪器比机柜空调大。把所有的仪器放在一起需要三四十平方米的房间。随着操纵量子比特数量的增加,需要相应地增加仪器的数量,并占据更多的空间。这与古典电脑刚刚出现的场景类似。1946年,当世界上第一台古典电脑诞生时,它占据了很大的面积。如果要使量子计算机易于使用,就必须使其小型化。”郭国平说,研究小组将许多仪器集成到一个仪器中,即量子测量和控制集成机。它的主要功能是提供量子芯片运行所需的各种关键信号。同时,在量子芯片完成任务后,还可以通过量子计算机控制系统读取处理结果。在量子芯片集成快速发展的阶段,量子计算机控制系统是量子计算机不可缺少的组成部分,它可以最大限度地发挥量子芯片的性能优势。在开发源量子测控集成机之前,量子计算机只能使用传统的商业仪器和设备来建立自己的量子计算机控制系统。这些商业票据是非标准设备。它们不是专业可控的量子比特,但经过调整后能在一定程度上实现控制量子比特的功能。这就像科学家需要持之以恒。过去,市场上只有蓝白罐头。当然,蓝色和白色的罐头可以装水,但是装水只是蓝色和白色罐头的功能。因此,原有的构建方式不仅昂贵、功能冗余,而且兼容性差、调试困难等缺点。郭国平说,如果我们购买传统的商业仪器来建造系统,成本将超过几千万元,而专门为量子芯片设计的量子测控集成机可以节省一半的成本,而且成本将是毛皮。批量生产后减少。另外,使用集成的量子测控机也可以节省大量的研究时间。过去,当研究人员建立他们自己的量子计算机控制系统时,由于缺乏对各种商业仪器的统一规范,调试这些设备需要几个月甚至更长的时间。系统投入使用后,调试时间接近0,科研人员可以更多地关注与科研相关的数据验证。量子测控集成机本身是一种高端仪器,可用于精密测量、基础科学研究等领域。郭国平说,目前,国内高端仪器仪表依赖进口。对量子测控集成机的部分部件进行了国产化。在许多可以应用的领域,高端仪器依赖进口的情况可能得到改善。随着量子芯片的发展,量子计算机将会被迭代,但离量子计算机的产生还有很长的路要走。当蒸汽机只有0.01马力时,它无法与马匹匹匹匹敌,但意义何在?它代表了一个发展方向。郭国平说。科学家们预测,当量子计算的时代到来时,具有GHz时钟频率的量子计算机只需要10秒钟就能解出由数十亿个变量组成的线性方程组。现在,即使拥有世界上最快的超级计算机,也至少需要几百年的时间。郭国平说,目前集成的量子测控机只能服务于0.01马力的量子芯片。当量子芯片升级到1马力和10马力时,集成测控机将迭代升级,以满足更多数字量子芯片的需求。郭广灿说,除了量子芯片和控制系统之外,还需要许多量子元件来开发真正有用的量子计算机,这与量子计算机的真实外观相去甚远。负责量子测控集成机开发的技术总监孔伟成说:“该小组将尽快开发出量子计算机的原型,并探索更广泛的应用方案。然后经过十到二十年的时间,可以开发出一台特殊的量子计算机来满足生活的实际需要。最后,经过几十年的努力,一个通用的量子计算机可以实现。郭国平说,在古典计算机时代,一些跨国公司已经在操作系统和芯片上建立了系统,使得后代很难赶上。在量子计算机领域,海外跨国公司尚未形成绝对优势。郭国平说:“我们希望通过我们的努力,在量子计算时代到来之际,抓住机遇,成为推动全世界科学研究和发展的创新力量。”

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