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3月28日，啟科量子宣布在離子陷阱量子計算機(jī)工程研發(fā)方面取得重大技術(shù)進(jìn)展，并發(fā)布了中國第一具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品ARTIQ架構(gòu)量子測控系統(tǒng)(QuSoil)。

開放市場定制的第一批產(chǎn)品包括：邏輯門指令編譯模塊FPGA中央處理模塊、下功能組件(數(shù)字脈沖I/O模塊和數(shù)字頻率合成模塊)。AbaQ(天算一號)百比特離子陷阱量子計算機(jī)的集成整合必將大大加快啟科JauchQuartz代理量子計算機(jī)的工程化和商業(yè)化進(jìn)程。

啟科量子還宣布，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、任何波形模塊、微波信號模塊、射頻功率放大模塊、芯片陷阱接口模塊等組件也進(jìn)入工程定型階段，將于年底開放市場定制。

量子計算作為打破摩爾定律、實現(xiàn)計算能力指數(shù)增長的新興技術(shù)，正成為世界主要國家競爭的焦點。量子比特是量子計算機(jī)的基本信息單元，經(jīng)典光電控制系統(tǒng)是連接真實經(jīng)典信息系統(tǒng)和量子比特系統(tǒng)的界面，量子比特在經(jīng)典光電控制系統(tǒng)的后端工作，雙方的關(guān)系就像航空發(fā)動機(jī)和飛行控制系統(tǒng)，引導(dǎo)前者的方向，護(hù)送。以光電測控為核心的量子測控系統(tǒng)是量子計算機(jī)的核心設(shè)備之一，是量子計算處理器穩(wěn)定運行的重要保證。

在許多實現(xiàn)量子測控系統(tǒng)的方案中，ARTIQ (Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics，先進(jìn)的量子物理實時基礎(chǔ)設(shè)施)脫穎而出，可用于量子信息實驗的前沿控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ARTIQ該架構(gòu)是世界上最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的量子測控系統(tǒng)，已部署在杜克、馬里蘭、MIT、在著名大學(xué)和量子物理研究機(jī)構(gòu)的實驗室中，牛津和哈佛，也在美國Sandia作為量子測控系統(tǒng)的基本架構(gòu)，國家實驗室。

ARTIQ系統(tǒng)最初是由的NIST(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)Ion Storage由著名原子物理學(xué)家、2012年諾貝爾物理學(xué)獎得主(離子存儲)研究組開發(fā)的Dave Wineland領(lǐng)導(dǎo)。他在原子物理研究中的一系列科學(xué)成就包括：使用離子陷阱準(zhǔn)確測量電子自旋g因子（諾貝爾獎），第一次實現(xiàn)激光多普勒冷卻，第一次使用離子陷阱CNOT邏輯門。利用ARTIQ架構(gòu)，NIST量子物理研究小組不僅控制了世界上最準(zhǔn)確的原子鐘，而且保持了世界上最高量子體積(Quantum Volume)(>量子計算機(jī)運行100萬)。

啟科量子通過此次發(fā)布ARTIQ通用量子計算機(jī)測控系統(tǒng)提出了五個基本標(biāo)準(zhǔn)(即五大挑戰(zhàn)):

● 能夠以極其生成至少100量級的數(shù)字和模擬信號，并確保相位相關(guān)性；

● 量子糾錯方案中的測量和控制可以通過非常低的反應(yīng)延遲來完成；

● 能夠處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的量子邏輯門協(xié)議，實現(xiàn)一般量子算法；

● 能滿足靈活部署和可編程的需要，適應(yīng)不斷改進(jìn)的實驗硬件；

● 為了適應(yīng)分布式和多平臺環(huán)境，可以滿足硬件、驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)分析軟件的多樣性需求。

研發(fā)高效、穩(wěn)定、易控、可靠的量子計算測控系統(tǒng)是應(yīng)對這五大挑戰(zhàn)的必然選擇。目前，離子陷阱、中性原子、超導(dǎo)、半導(dǎo)體等多流派并行發(fā)展。然而，大多數(shù)測控系統(tǒng)只能應(yīng)用單一技術(shù)，無法實現(xiàn)跨境研發(fā)，這顯然會延長科研時間，增加成本投資。因此，研發(fā)一般平臺框架是業(yè)界關(guān)注的焦點之一。ARTIQ測控系統(tǒng)是目前唯一有望建立通用平臺框架的系統(tǒng)。

ARTIQ目前，以開源為解決方案提供給全球研究界GitHub上由M-Labs、QUARTIQ、NIST維護(hù)等組織。世界各地的100多個實驗室都被采用了ARTIQ作為他們的控制系統(tǒng)。ARTIQ測控系統(tǒng)不僅用于離子陷阱、里德堡原子等原子量子計算機(jī)，還迅速擴(kuò)展到超導(dǎo)量子、硅基量子點等量子計算機(jī)系統(tǒng)，以及冷原量子陀螺、重力梯度儀、量子磁力儀等量子傳感系統(tǒng)。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為ARTIQ該架構(gòu)將成為下一代量子網(wǎng)絡(luò)基本物理測控系統(tǒng)的重要候選人，集通信、計算和傳感于一體。但是目前ARTIQ硬件市場供應(yīng)由M-Labs和QUARTIQ壟斷，國內(nèi)企業(yè)在相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)和作權(quán)方面仍存在差距。未來，量子計算的國際合作將嚴(yán)重阻礙國內(nèi)機(jī)構(gòu)的利用ARTIQ量子測控系統(tǒng)的架構(gòu)開發(fā)。

2017年，啟科量子首席科學(xué)家、中山大學(xué)羅樂教授發(fā)起并組織了亞太地區(qū)第一次監(jiān)禁量子系統(tǒng)會議ARTIQ以開源架構(gòu)為基礎(chǔ)，開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)量子測控系統(tǒng)。會議被邀請M-Labs首席執(zhí)行官Sebastien Bourdeauducq對ARTIQ深入介紹了架構(gòu)。此后，中山大學(xué)、清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院精密測量學(xué)院、南方科技大學(xué)、國防科技大學(xué)、北航儀器等單位采用ARTIQ作為量子測控系統(tǒng)，架構(gòu)。

QuSoil又稱量子土，由啟科量子開發(fā)ARTIQ啟科量子首先應(yīng)用于正在開發(fā)的架構(gòu)量子測控系統(tǒng)AbaQ百比特離子陷阱通用量子計算機(jī)將連接到科學(xué)研發(fā)QuRoot離子陷阱量子計算機(jī)中的所有光電設(shè)備(量子根莖:通用量子服務(wù)驅(qū)動庫)。建立該系統(tǒng)的目的是打破外國公司的壟斷，開發(fā)中國獨立知識產(chǎn)權(quán)的量子控制系統(tǒng)。簡單來說，QuSoil與ARTIQ結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系就像銀河麒麟與銀河麒麟的關(guān)系Linux操作系統(tǒng)。

QuSoil該設(shè)計具有高度的可移植性、多系統(tǒng)兼容性和升級擴(kuò)展性，保證了非實時設(shè)備運行時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。QuSoil人機(jī)交互界面為實驗、設(shè)備、參數(shù)和結(jié)果提供了圖形用戶界面、實驗調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫。Python、Migen、MiSoC/mor1kx、LLVM 和 Llvmlite。邏輯門指令編譯模塊，F(xiàn)PGA中央處理模塊和下同時，中央處理模塊和下功能組件三個測控模塊確保了各司其職，構(gòu)建了高可靠性、高效率、高速度的測控系統(tǒng)。同時，QuSoil與國外公司相比，同等技術(shù)參數(shù)硬件的預(yù)估價格也將大大降低。

假如說離子陷阱芯片是量子計算機(jī)的大腦QuSoil這是量子計算機(jī)的神經(jīng)。對于過去和今天的量子計算機(jī)研發(fā)來說，芯片和測控系統(tǒng)主要在美國處于領(lǐng)先地位，相當(dāng)于把自己的大腦和神經(jīng)交給別人，這無疑是一件非常致命的事情，所以QuSoil肩負(fù)著啟科量子研發(fā)過程中極其重要的使命。

啟科量子與中山大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)QuSoil該系統(tǒng)能夠滿足自身、高校和科研機(jī)構(gòu)對量子計算的研發(fā)需求，標(biāo)志著國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)掌握了基于量子計算的研發(fā)需求ARTIQ量子測控架構(gòu)的核心知識產(chǎn)權(quán)填補(bǔ)了國內(nèi)ARTIQ測控系統(tǒng)的技術(shù)和產(chǎn)品空白。QuSoil該系統(tǒng)為中國自主可控量子計算機(jī)測控系統(tǒng)注入了強(qiáng)心劑，大大提高了中國量子企業(yè)在國際市場競爭中的話語權(quán)。啟科QuSoil測控系統(tǒng)的商業(yè)化將極大地促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域量子技術(shù)的研發(fā)，特別是對國防軍事和國家安全領(lǐng)域量子測控技術(shù)的需求具有重要的戰(zhàn)略意義。

目前，QuSoil測控系統(tǒng)包括邏輯門指令編譯模塊，F(xiàn)PGA三個模塊：中央處理模塊和下功能組件QuSoil系統(tǒng)框架構(gòu)圖。

QuSoil系統(tǒng)框架構(gòu)圖

模塊1：邏輯門指令編譯模塊

邏輯門指令編譯模塊ARTIQ測控系統(tǒng)的主控中心相當(dāng)于測控系統(tǒng)的大腦。測控系統(tǒng)能否有序高效地運行，完全取決于邏輯門指令編譯是否合理準(zhǔn)確。邏輯門指令編譯模塊的功能不僅包括量子計算機(jī)底部硬件的控制，還包括與應(yīng)用算法層的連接，因此邏輯門指令編譯模塊可以滿足不同操作對象的使用需求。量子實驗者的需求點是靈活配置底部硬件的信號和時間順序，以滿足其對實驗的需求；量子程序員對硬件的底部邏輯不感興趣，需要提前配置底部硬件參數(shù)，直接通過特殊方式API進(jìn)行調(diào)用。

邏輯門指令編譯模塊的完全獨立和可控的研發(fā)使啟克量子能夠根據(jù)用戶的需要進(jìn)行定制的設(shè)計和配置。同時，啟克量子實現(xiàn)了邏輯門指令編譯模塊底部硬件參數(shù)的迭代優(yōu)化，確保了硬件功能需求的持續(xù)發(fā)展。

模塊二：FPGA中央處理模塊

FPGA中央處理模塊是邏輯門指令編譯模塊和下功能組件之間的橋梁。其主要功能是讀取邏輯門指令編譯模塊傳輸?shù)挠布�時間序列信號并識別，然后根據(jù)時間序列的嚴(yán)格處理要求，在特定時間控制多個功能板卡輸出電信號。FPGA支持中央處理模塊DRTIO(Distributed Real Time Input/Output，該協(xié)議保證了邏輯門指令編譯模塊之間的分布式實時輸入/輸出協(xié)議ns同步精度(納秒)級，讓多個FPGA根據(jù)需要，中央處理模塊聯(lián)合工作和下級功能組件可以隨意增減。這是啟科量子的選擇FPGA作為測控系統(tǒng)硬件指揮中心的主要原因。

在實際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA中央處理模塊可以為R&D客戶提供更多的選擇，如開發(fā)具有特殊功能的下功能板卡，客戶可以通過與啟科量子的合作，將板卡定制化為實驗控制系統(tǒng)。

模塊3:下功能組件數(shù)字脈沖I/O數(shù)字頻率合成模塊

下功能組件的主要功能是接受FPGA中央處理模塊的控制指令，并輸出特定類型的電信號。測控系統(tǒng)作為測控系統(tǒng)的底層硬件，需要不同的功能，數(shù)字脈沖是離子陷阱量子計算機(jī)中需要實現(xiàn)的功能I/O模塊”(TTL)、數(shù)字頻率合成模塊(DDS)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊(ADC)、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊(DAC)、GHz級微波源模塊，任意波形發(fā)生模塊(AWG)、射頻功率放大模塊

在本次發(fā)布的下位功能組件中，DDS其信號質(zhì)量將直接影響量子邏輯門的操作。TTL板卡的主要功能是實現(xiàn)快速通斷操作，方便實驗者在短時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)千次實驗。同時，量子比特相關(guān)時間有限，所有邏輯門操作都需要在短時間內(nèi)快速完成，從而實現(xiàn)快速通斷操作TTL它是不可或缺的。此外，TTL可用作探測量子比特狀態(tài)的輸入端口。

未來，啟科量子將陸續(xù)發(fā)布下級功能組件的板卡化和集成ADC、DAC、微波源、AWG等待硬件。下功能組件的日益完善，將為啟科量子分布式離子陷阱量子計算機(jī)的研發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。