本源量子发布国内首款国产量子计算测控一体机,希望进一步推动国内量子芯片研发工程发展

为实现对大比特数量量子芯片的精准测控,解决国内绝大多数量子芯片研发团队没有高效测控系统,并仍需要从国外进口商业仪器的问题,经过长达一年的研发,本源量子于2018年12月6日推出完全自主知识产权的首款国产量子控制系统——本源量子测控一体机OriginQ Quantum AIO,希望为国内量子计算研究和芯片研发工作提供先进的硬件平台和定制服务。

量子计算机行业中,量子芯片发展十分迅速。为了实现对大规模量子比特的精准操控,集成化的大型量子芯片测控系统不可或缺。目前,绝大多数量子计算机研发团队使用商用仪器设备自行搭建量子计算机控制系统,但由于传统的科学仪器仅负责单一的信号输出或者采集任务,这种拼接搭建起来的系统不仅成本昂贵、兼容性差,还存在功能冗余、难以集成等缺点。

针对这类缺点,本源量子研制了一套精简、高效的量子计算机控制系统,目前支持对小规模的半导体及超导体系量子芯片的测控及研发。因为将所有量子计算控制系统的功能集成在一台能够完整实现对量子芯片的控制机器内,所以称其为量子测控一体机。

目前,本源量子测控一体机主要应用于量子计算领域,提供量子芯片的运行环境与接口,以及量子芯片所需的一切信号的生成、采集、控制与处理,使得量子芯片能最大程度发挥其性能优势。

但从该产品设计的出发点来说,其也是一个能够提供一套精密信号的仪器,因此也可以被应用于精密测量、信号测试、基础科学研究等传统技术领域中。

测控一体机工作原理

本源量子测控一体机主要包含一套量子计算机控制系统,该系统连接量子程序与量子芯片,主要功能是将用户所编写的量子程序进行编译转化为实际的脉冲信号序列并输入到量子芯片中,提供量子芯片运行所需的各类关键信号,并负责量子芯片传回信息的处理,翻译成经典计算机可以解读的经典信息。

因为量子计算机的体系结构与经典计算机的不同,量子计算机没有主板、电源等结构,量子芯片的控制原理与经典计算机也不同,若没有量子计算控制系统量子计算机就没法运行。

具体来说,因为量子程序是抽象量子逻辑门操作的序列,需要通过量子计算机控制系统编译后转化为具体的脉冲信号序列,输送到量子芯片中。

同时传统CPU用的是数字信号,量子芯片的运行需要精密模拟信号,需要人工对长度和宽度进行详细的设计,测控一体机可以帮助替代人工设计,提前写好对于每种信号的预设,同时使用者也可以根据需要来自定义信号的编写。

量子芯片接收到脉冲信号序列后,利用量子比特进行运算,并把运算结果以量子比特编码信息的形式保存下来。

后续量子比特编码信息同样转化为脉冲信号序列,返回量子计算机控制系统,使用者在对控制系统接收到的信号进行解调和算法处理,最终得到量子信息处理任务的运算结果。

量子计算机控制系统原理图

测控功能集成一体的优势

目前大部分量子芯片研究团队在搭建芯片测试系统时都面临需要通过使用一些列商用仪器组合搭建方式,且这些商用仪器绝大多数都从国外购买。但这些仪器未来无法也不应该设计到一台量子计算机的体系架构中,因此必须要有一台专用的设备实现对量子芯片的控制。

假设一台1000位量子计算机被研制成功,如果用现有商用仪器搭建量子计算机控制系统,需要足够大的空间来放置数千台商用仪器,并在其中连接平均几十米长的信号线路,仅仅连接线路就得花费一周以上的时间。尤其是当量子芯片集成度增大时,性能弊端越来越严重。因连接仪器的同轴电缆导致同步紊乱、指令响应慢、信号质量下降的现象,随之发生。

本源量子测控一体机采用模块化设计,当前发布的版本包含任意波形模块、直流模块、射频脉冲模块、射频采集模块四种功能模块,以及总计40个功能通道,可以直接支持8位超导量子芯片或者2位半导体量子芯片。

本源量子测控一体机技术参数

集成任意波形模块(AWG模块)性能参数

该测控一体机功能通道之间通过PCIE高速扩展总线互连,实现一体化。使用过程中可以将其升级至最多200通道,以支持更高性能的量子芯片。

量子测控一体机工作流程图

「该控制系统内部有核心控制器,控制所有功能通道,包括指令互传、数据处理等。核心控制器中最核心的就是高性能的 FPGA 芯片。我们首先在 FPGA 中完成相关指令的预编译,随后就可以实时生成想要的量子芯片控制信号,取代繁杂的人工操作。以往,我们都是用一台计算机主机控制所有的仪器设备,编写代码,将指令和需要生成的控制信号发送给各个仪器进行配置,中间有复杂的线路和通信协议,导致系统效率低下。现在我们使用 FPGA 来执行对应操作,将计算机主机作为监控层。」本源量子董事长兼任量子测控部总监孔伟成说道。

「利用这种方式,我们可以大幅提高量子计算机的运行效率。」

以量子芯片回传信号分析为例。传统的分析方法将信号数据传回计算机主机,再由计算机软件进行处理,这个过程的典型耗时为10微秒以上;而在本源量子测控一体机中,信号不用传导计算机主机,直接在FPGA中进行解调分析与逻辑运算,整个流程的时间降低至200ns以内,我们称这个时间为反馈延时。仪器也可以将所有原始数据保存下来,供用户深度研究使用。

「利用高效的实时信号处理能力,我们可使用量子测控一体机对量子芯片实施实时监控,基于对量子芯片读取结果的分析,对逻辑编码错误进行实时反馈校正。只要相干时间允许,这种反馈矫正可以一直做下去,因此它可以用于实现量子实时纠错,而量子实时纠错是实现容错量子计算机的关键」,孔伟成补充道。

为了便于用户的操作,提高量子芯片测试的效率,本源量子测控一体机提供了一款专用于编写量子芯片控制信号的软件,并且用户可直接在触屏面板上进行操作。同时,该量子测控一体机附带Python开放编程环境,支持用户实现更多自定义的编程设计。

Python开放编程环境

当前,量子计算呈多元化发展趋势,本源量子发布的量子测控一体机是针对量子计算领域用户的首套国产量子计算机控制系统,同时本源量子也计划提供基于具体量子芯片体系的定制解决方案,为量子计算机研发、量子信息技术基础研究提供最合适的软硬件平台。

未来本源量子研发团队将对量子测控一体机进行持续改进升级,使得其向着集成度更高支持更大规模比特数量量子芯片、核心信号指标更高、模块化独立产品适合更多精密信号探测场景、开发量子计算机汇编语言以实现对量子芯片的全自动化控制等多个方向优化,并满足更多位数的量子芯片的测控需求。

国内首家量子计算公司这一年进展

本源量子是国内第一家量子计算公司,其创始团队深耕于半导体量子芯片研究多年,依托中国量子信息省部级重点实验室中科院量子信息重点实验室,结合郭国平教授团队连续十年承担的多个国家级重点研发项目,以量子计算机的量子芯片、量子测控硬件、量子软件应用和量子云平台服务开发研制等为核心业务。

公司从去年九月成立至今一年多,在量子计算软硬件和应用等领域已开发掌握了多项完全自主知识产权的核心技术,申请专利六十余项,先后在量子虚拟机、量子软件、量子应用等领域取得突破:上线国内首家量子计算云平台;开发出国内首款量子语言开发包QPanda;成功运算64位量子虚拟机(是世界上首个实现64比特量子线路仿真的团队);推出国内首款开放量子应用框架pyQPanda等。

同时也于今年8月创办了本源物联网科技将量子技术与物联网技术结合研发量子传感器;并在10月成立深圳本源量子云,通过量子测控一体机的接入提供更全面的量子计算云服务平台。本源公司也在近期成立了本源量子计算产业联盟OQIA,将联合已加入联盟的哈工大机器人集团、中科类脑等五家企业一起继续加速本源量子的软硬件技术生态平台的搭建。

产业量子计算机本源量子量子芯片
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