走出实验室 我国量子计算机迈向工程化

在政策、人才和资本的多重推动，量子信息技术已成为各方关注与期待的焦点，去年诺贝尔奖花落量子纠缠，更是激发了全社会对量子技术的热情。

量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域，其中，量子计算具有经典计算技术无法比拟的巨大信息携带量和超强并行计算处理能力，为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案。

走出实验室的量子计算

量子计算的概念最早由费曼提出，英国物理学家David Deutsch进一步发展了费曼的构想，通过“量子线路”方法，将经典计算机中负责运算处理的逻辑门扩展到了量子力学领域，90年代的Shor算法和Grover算法证明了量子计算拥有经典计算无可比拟的速度。

量子计算机的发展分为实现量子优越性、实用化的量子模拟机和可编程的通用量子计算机三个阶段，随着量子计算优越性得到实验验证，量子计算已进入实用化优势应用场景探索的新阶段。近年来，全球量子计算领域科学研究和技术研发亮点纷呈，离子阱、超导、光量子和半导体等多种技术路线并行发展，比特数量规模和质量参数进一步提升。

我国的量子计算研究虽然起步较晚，但发展迅速，现已处于国际第一阵营，在该领域的学术论文发表量和研究机构数量位列全球第二（第一是美国），并于近两年取得了一系列标志性成果。当前量子计算机的研究正从实验室阶段向工程技术化阶段迈进，如何“走出实验室”成为我国科研机构和量子企业都在思考的问题。

近日，专注量子计算机工程化及产业化的启科量子，推出了国内首台模块化离子阱量子计算工程机天算1号，这标志着我国原子型量子计算机迈出了从关键技术突破、实验室研发、原理样机研制到产品工程化的关键一步。

天算1号外观图

启科量子研发人员向记者介绍了天算1号各个系统功能，离子阱系统提供离子源并实现对离子囚禁，光学系统实现对离子冷却以及量子态操控，工作环境系统主要是提供超高真空环境以减少背景气体分子对离子的碰撞，测控系统通过指令时序调节电压、激光等参数以实现计算的主要步骤，这四大系统实现离子阱量子计算机硬件工程化、操作界面智能化。由若干模块组成四大系统，四大系统组装成整机，未来某个模块出现错误，可以通过插拔的形式进行迅速恢复。

量子计算机工程机分系统框架图

勇闯国内离子阱量子计算“无人区”

量子计算根据功能划分，可分为专用型量子计算机与通用型量子计算机，专用型量子计算机用于解决特定问题（如优化问题），而通用型量子计算机支持编写基于通用逻辑门的算法程序，应用范围更广泛。目前能够实现通用量子计算的量子计算机只有离子阱和超导两种。

离子阱利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子运动，并利用囚禁离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，利用微波激光照射操纵量子态，通过连续泵浦光和态相关荧光实现量子比特的初始化和探测。离子阱技术路线具有无需极低温冷却，天然离子量子比特具有全同性，保真度高，相干寿命长（秒级），纠错编码开销需求低，光子操控、互联与未来量子信息组网兼容等优势，其基本技术与四届诺贝尔物理学奖的技术紧密相关。

近年来，世界各地研究团队一直在加速创建离子阱量子计算机，国外的离子阱量子计算企业主要有美国的Quantinuum(霍尼韦尔子公司)和IonQ、英国的Oxford Ionics和Universal Quantum、奥地利的Alpine Quantum Technologies 等，国内首家离子阱量子计算公司正是启科量子。

以工程化方式推进离子阱量子计算机的研制，是目前该技术路线在国内外的焦点，此前工程化关键技术一直被国外几家离子阱公司垄断。启科量子负责人表示，“外国离子阱工程机不断取得突破，国内却依旧处于空白期，这一落差坚定了我们打造自主可控离子阱量子计算机的决心。”

为此，启科量子在全球范围内招募量子计算人才，组建了一支具有“光学+机械+电子+测控+量子物理”技术的全能团队，自主研发出达到国际领先水平的离子阱量子计算工程机，该工程机已经获得了国内量子信息、原子物理、光电子学等领域知名专家的权威评审。

启科量子负责人表示，全球量子计算机的工程化之路已经起步，启科将在天算1号的基础上，着力发展以“离子-光子“纠缠为基础的分布式技术，实现数百逻辑比特的分布式运算。目前公司正打造以离子阱量子计算机为核心的全产业链生态，未来将在供应链、金融、制药、化工、交通、汽车、物流、航空、能源、气象等领域注入“经典-量子”异构算力，解决如生物结构模拟、物流效率计算、寻找靶向药物等重要复杂问题。