中國首顆！500+比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片交付

國產(chǎn)芯片研發(fā)再破關(guān)卡！據(jù)國盾量子4月25日消息，中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院（以下簡稱“量子創(chuàng)新院”）向該公司交付了一款504比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“驍鴻”。

1、“驍鴻”問世！

據(jù)了解，測(cè)控系統(tǒng)和量子計(jì)算芯片是量子計(jì)算機(jī)不可或缺的核心硬件組件。其中，測(cè)控系統(tǒng)通過與量子計(jì)算芯片的精密交互，確保信號(hào)的準(zhǔn)確生成、傳輸和處理，從而深刻影響著量子計(jì)算機(jī)的整體性能。為了全面驗(yàn)證大規(guī)模測(cè)控系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，量子創(chuàng)新院特別定制研發(fā)了這款504比特的“驍鴻”量子計(jì)算芯片。

“驍鴻”量子芯片一經(jīng)發(fā)布，便引起業(yè)界廣泛關(guān)注。據(jù)悉，此次發(fā)布的“驍鴻”芯片在集成超過500比特的同時(shí)，量子比特的壽命、門保真度、門深度、讀取保真度等關(guān)鍵指標(biāo)，有望達(dá)到IBM等國際主流量子計(jì)算云平臺(tái)的芯片性能。

據(jù)介紹，本次發(fā)布的“驍鴻”芯片，將用于國盾量子千比特超導(dǎo)量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)——ez-Q Engine 2.0的實(shí)測(cè)，進(jìn)行單比特門、雙比特門、讀取操作及測(cè)控系統(tǒng)性能測(cè)試，測(cè)試工作預(yù)計(jì)在今年8月前完成。值得一提的是，新測(cè)控系統(tǒng)在集成度上較上一代產(chǎn)品提升了10倍以上，且核心元器件采用了國產(chǎn)化設(shè)計(jì)，這不僅提高了操控精度，還大幅降低了成本。

該芯片刷新了國內(nèi)超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量的紀(jì)錄。不過，“驍鴻”芯片主要考慮通過集成更多的比特?cái)?shù)和實(shí)現(xiàn)各單項(xiàng)指標(biāo)，綜合性能與量子創(chuàng)新院團(tuán)隊(duì)此前創(chuàng)造量子糾纏數(shù)世界紀(jì)錄的“祖沖之二號(hào)”芯片尚有差距，不具備實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的能力。

后續(xù)，“驍鴻”將用于驗(yàn)證國盾量子自主研制的千比特測(cè)控系統(tǒng)，并計(jì)劃通過“國盾量子計(jì)算云平臺(tái)”、中電信量子集團(tuán)“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)，向全球開放。

2、超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“大腦”

目前，超導(dǎo)量子計(jì)算是業(yè)界公認(rèn)的量子計(jì)算技術(shù)路線，也是量子計(jì)算機(jī)的一種，但運(yùn)算速度更快。從產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)來講，超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)體系中，包含硬件、芯片、操作系統(tǒng)3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

其中，超導(dǎo)量子芯片被稱為超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的“大腦”，能夠以極高的效率執(zhí)行超復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。另外一個(gè)重要的系統(tǒng)，即測(cè)控系統(tǒng)，被看作是量子世界的指揮官，負(fù)責(zé)精確操控和測(cè)量微小的量子比特。

公開資料顯示，超導(dǎo)量子芯片，是一種基于超導(dǎo)材料制成的量子計(jì)算設(shè)備。與傳統(tǒng)芯片不同，這是一種基于量子力學(xué)原理運(yùn)行，利用量子疊加和量子糾纏等現(xiàn)象，采用量子比特（qubit）作為信息存儲(chǔ)和處理單元，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的芯片。

值得關(guān)注的是，量子計(jì)算優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算，關(guān)鍵就在于量子比特可以在0和1之間的現(xiàn)行組合中存在，處于疊加態(tài)，也就使得在同一時(shí)間內(nèi)，量子比特可以同時(shí)表示多個(gè)狀態(tài)。這使得量子計(jì)算在并行處理和搜索問題時(shí)具備優(yōu)勢(shì)。

從生產(chǎn)難點(diǎn)角度上看，超導(dǎo)量子芯片除了一般芯片的難點(diǎn)之外，還需要考慮多個(gè)方面的挑戰(zhàn)，比如量子芯片設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片更為復(fù)雜，材料選擇和制造工藝上也有所限制，量子比特一致性及穩(wěn)定性難以控制，以及測(cè)量和控制技術(shù)需要跟上新技術(shù)的變化，提高量子芯片的性能和可靠性。

其中，該類芯片需要用到的是高質(zhì)量的超導(dǎo)材料，如鋁、銅、鈮等。超導(dǎo)材料的特性在于當(dāng)溫度降至某一臨界溫度以下時(shí)，電阻為零，電流可以無損耗地流動(dòng)。利用這一特性，超導(dǎo)量子芯片實(shí)現(xiàn)了量子比特的高效操作和穩(wěn)定存儲(chǔ)。

此外，關(guān)于國際上超導(dǎo)材料的動(dòng)態(tài)：據(jù)了解，2023年3月美國物理學(xué)會(huì)上來自羅切斯特大學(xué)的科學(xué)家迪亞斯宣布發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)材料；同年7月，韓國的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文表示，其在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，在室溫條件下，能實(shí)現(xiàn)電阻為零。零電阻意味著不會(huì)發(fā)熱，形成的磁場(chǎng)也就特別穩(wěn)定。

3、國產(chǎn)超導(dǎo)量子計(jì)算屢獲突破

近年，超導(dǎo)量子計(jì)算得到了很大的發(fā)展，中國先后構(gòu)建了62比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”和66比特的“祖沖之二號(hào)”，在超導(dǎo)量子體系實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”。除了上述“驍鴻”超導(dǎo)量子計(jì)算芯片的發(fā)布，國產(chǎn)超導(dǎo)量子計(jì)算已多次沖破關(guān)卡。

2023年11月，中國深圳企業(yè)量旋科技（SpinQ）成功將自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、封裝、測(cè)試的超導(dǎo)量子芯片交付給了中東的科研機(jī)構(gòu)。據(jù)悉，2023年4月，量旋科技對(duì)外發(fā)布了超導(dǎo)量子芯片“量旋少微”，該芯片是全球?yàn)閿?shù)不多標(biāo)準(zhǔn)化、量產(chǎn)型的超導(dǎo)量子芯片產(chǎn)品。

根據(jù)介紹，在完整的超導(dǎo)量子芯片生產(chǎn)線保障之下，“量旋少微”的退相干時(shí)間T1，達(dá)到了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的10~100微秒，更長的T1可以保證更多的門操作，也能提高邏輯門保真度的上限。此外，“量旋少微”能夠執(zhí)行數(shù)十納秒量級(jí)的單雙比特門操作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)99.9%以上的單比特門保真度和98%以上的雙比特門保真度。

2024年1月，量子計(jì)算芯片安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、安徽省量子計(jì)算工程研究中心聯(lián)合發(fā)布了中國第三代自主超導(dǎo)量子芯片——“悟空芯”(夸父 KF C72-300)。該芯片采用了72個(gè)計(jì)算量子比特的設(shè)計(jì)方案，還包含126個(gè)耦合器量子比特，共有198個(gè)量子比特，其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的比特弛豫時(shí)間T1≥15.3μs，退相干時(shí)間 T2≥2.25μs。與前兩代量子芯片相比，第三代超導(dǎo)量子芯片具有更高的相干時(shí)間，性能上有顯著提升。

該超導(dǎo)量子芯片已在中國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)量子疊加和糾纏等特性。量子計(jì)算芯片安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任賈志龍表示，“悟空芯”以及“本源悟空”量子計(jì)算機(jī)的發(fā)布，意味著中國超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造能力從小規(guī)模開始進(jìn)入中等規(guī)模階段，具備了自主生產(chǎn)一定中等規(guī)模可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)芯片和系統(tǒng)的能力。

2月下旬，安徽省量子信息工程技術(shù)研究中心及科大國盾量子技術(shù)股份有限公司聯(lián)合發(fā)布消息，國產(chǎn)稀釋制冷機(jī)ez-QFridge在交付客戶后完成性能測(cè)試。

結(jié)果顯示，該設(shè)備實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)達(dá)同類產(chǎn)品國際主流水平，成為國內(nèi)首款可商用可量產(chǎn)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)用稀釋制冷機(jī)。稀釋制冷機(jī)是構(gòu)建超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵核心設(shè)備，可為超導(dǎo)量子計(jì)算芯片提供接近絕對(duì)零度的超低溫環(huán)境。