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3月28日，啟科量子宣布在離子陷阱量子計(jì)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(guó)第一具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品ARTIQ架構(gòu)量子測(cè)控系統(tǒng)(QuSoil)。

開(kāi)放市場(chǎng)定制的第一批產(chǎn)品包括：邏輯門(mén)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(hào))百比特離子陷阱量子計(jì)算機(jī)的集成整合必將大大加快啟科JauchQuartz代理量子計(jì)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(hào)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(kāi)放市場(chǎng)定制。

量子計(jì)算作為打破摩爾定律、實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力指數(shù)增長(zhǎng)的新興技術(shù)，正成為世界主要國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。量子比特是量子計(jì)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(shí)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(dòng)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(cè)控為核心的量子測(cè)控系統(tǒng)是量子計(jì)算機(jī)的核心設(shè)備之一，是量子計(jì)算處理器穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。

在許多實(shí)現(xiàn)量子測(cè)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(shí)時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施)脫穎而出，可用于量子信息實(shí)驗(yàn)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(cè)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(shí)驗(yàn)室中，牛津和哈佛，也在美國(guó)Sandia作為量子測(cè)控系統(tǒng)的基本架構(gòu)，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

ARTIQ系統(tǒng)最初是由的NIST(美國(guó)國(guó)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(jiǎng)得主(離子存儲(chǔ))研究組開(kāi)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(cè)量電子自旋g因子（諾貝爾獎(jiǎng)），第一次實(shí)現(xiàn)激光多普勒冷卻，第一次使用離子陷阱CNOT邏輯門(mén)。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(jì)算機(jī)運(yùn)行100萬(wàn))。

啟科量子通過(guò)此次發(fā)布ARTIQ通用量子計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)提出了五個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)(即五大挑戰(zhàn)):

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

● 量子糾錯(cuò)方案中的測(cè)量和控制可以通過(guò)非常低的反應(yīng)延遲來(lái)完成；

● 能夠處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的量子邏輯門(mén)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)一般量子算法；

● 能滿(mǎn)足靈活部署和可編程的需要，適應(yīng)不斷改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)硬件；

● 為了適應(yīng)分布式和多平臺(tái)環(huán)境，可以滿(mǎn)足硬件、驅(qū)動(dòng)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(jì)算測(cè)控系統(tǒng)是應(yīng)對(duì)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(cè)控系統(tǒng)只能應(yīng)用單一技術(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨境研發(fā)，這顯然會(huì)延長(zhǎng)科研時(shí)間，增加成本投資。因此，研發(fā)一般平臺(tái)框架是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。ARTIQ測(cè)控系統(tǒng)是目前唯一有望建立通用平臺(tái)框架的系統(tǒng)。

ARTIQ目前，以開(kāi)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(gè)實(shí)驗(yàn)室都被采用了ARTIQ作為他們的控制系統(tǒng)。ARTIQ測(cè)控系統(tǒng)不僅用于離子陷阱、里德堡原子等原子量子計(jì)算機(jī)，還迅速擴(kuò)展到超導(dǎo)量子、硅基量子點(diǎn)等量子計(jì)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(cè)控系統(tǒng)的重要候選人，集通信、計(jì)算和傳感于一體。但是目前ARTIQ硬件市場(chǎng)供應(yīng)由M-Labs和QUARTIQ壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)在相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和作權(quán)方面仍存在差距。未來(lái)，量子計(jì)算的國(guó)際合作將嚴(yán)重阻礙國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)的利用ARTIQ量子測(cè)控系統(tǒng)的架構(gòu)開(kāi)發(fā)。

2017年，啟科量子首席科學(xué)家、中山大學(xué)羅樂(lè)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(huì)議ARTIQ以開(kāi)源架構(gòu)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)量子測(cè)控系統(tǒng)。會(huì)議被邀請(qǐng)M-Labs首席執(zhí)行官Sebastien Bourdeauducq對(duì)ARTIQ深入介紹了架構(gòu)。此后，中山大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量學(xué)院、南方科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、北航儀器等單位采用ARTIQ作為量子測(cè)控系統(tǒng)，架構(gòu)。

QuSoil又稱(chēng)量子土，由啟科量子開(kāi)發(fā)ARTIQ啟科量子首先應(yīng)用于正在開(kāi)發(fā)的架構(gòu)量子測(cè)控系統(tǒng)AbaQ百比特離子陷阱通用量子計(jì)算機(jī)將連接到科學(xué)研發(fā)QuRoot離子陷阱量子計(jì)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(dòng)庫(kù))。建立該系統(tǒng)的目的是打破外國(guó)公司的壟斷，開(kāi)發(fā)中國(guó)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(jì)具有高度的可移植性、多系統(tǒng)兼容性和升級(jí)擴(kuò)展性，保證了非實(shí)時(shí)設(shè)備運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。QuSoil人機(jī)交互界面為實(shí)驗(yàn)、設(shè)備、參數(shù)和結(jié)果提供了圖形用戶(hù)界面、實(shí)驗(yàn)調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)。Python、Migen、MiSoC/mor1kx、LLVM 和 Llvmlite。邏輯門(mén)指令編譯模塊，F(xiàn)PGA中央處理模塊和下同時(shí)，中央處理模塊和下功能組件三個(gè)測(cè)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(cè)控系統(tǒng)。同時(shí)，QuSoil與國(guó)外公司相比，同等技術(shù)參數(shù)硬件的預(yù)估價(jià)格也將大大降低。

假如說(shuō)離子陷阱芯片是量子計(jì)算機(jī)的大腦QuSoil這是量子計(jì)算機(jī)的神經(jīng)。對(duì)于過(guò)去和今天的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)來(lái)說(shuō)，芯片和測(cè)控系統(tǒng)主要在美國(guó)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(wú)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(guò)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(mǎn)足自身、高校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)量子計(jì)算的研發(fā)需求，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)掌握了基于量子計(jì)算的研發(fā)需求ARTIQ量子測(cè)控架構(gòu)的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)ARTIQ測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)和產(chǎn)品空白。QuSoil該系統(tǒng)為中國(guó)自主可控量子計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)注入了強(qiáng)心劑，大大提高了中國(guó)量子企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的話(huà)語(yǔ)權(quán)。啟科QuSoil測(cè)控系統(tǒng)的商業(yè)化將極大地促進(jìn)國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域量子技術(shù)的研發(fā)，特別是對(duì)國(guó)防軍事和國(guó)家安全領(lǐng)域量子測(cè)控技術(shù)的需求具有重要的戰(zhàn)略意義。

目前，QuSoil測(cè)控系統(tǒng)包括邏輯門(mén)指令編譯模塊，F(xiàn)PGA三個(gè)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(mén)指令編譯模塊

邏輯門(mén)指令編譯模塊ARTIQ測(cè)控系統(tǒng)的主控中心相當(dāng)于測(cè)控系統(tǒng)的大腦。測(cè)控系統(tǒng)能否有序高效地運(yùn)行，完全取決于邏輯門(mén)指令編譯是否合理準(zhǔn)確。邏輯門(mén)指令編譯模塊的功能不僅包括量子計(jì)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(mén)指令編譯模塊可以滿(mǎn)足不同操作對(duì)象的使用需求。量子實(shí)驗(yàn)者的需求點(diǎn)是靈活配置底部硬件的信號(hào)和時(shí)間順序，以滿(mǎn)足其對(duì)實(shí)驗(yàn)的需求；量子程序員對(duì)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(guò)特殊方式API進(jìn)行調(diào)用。

邏輯門(mén)指令編譯模塊的完全獨(dú)立和可控的研發(fā)使啟克量子能夠根據(jù)用戶(hù)的需要進(jìn)行定制的設(shè)計(jì)和配置。同時(shí)，啟克量子實(shí)現(xiàn)了邏輯門(mén)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(mén)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(mén)指令編譯模塊傳輸?shù)挠布�時(shí)間序列信號(hào)并識(shí)別，然后根據(jù)時(shí)間序列的嚴(yán)格處理要求，在特定時(shí)間控制多個(gè)功能板卡輸出電信號(hào)。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(mén)指令編譯模塊之間的分布式實(shí)時(shí)輸入/輸出協(xié)議ns同步精度(納秒)級(jí)，讓多個(gè)FPGA根據(jù)需要，中央處理模塊聯(lián)合工作和下級(jí)功能組件可以隨意增減。這是啟科量子的選擇FPGA作為測(cè)控系統(tǒng)硬件指揮中心的主要原因。

在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA中央處理模塊可以為R&D客戶(hù)提供更多的選擇，如開(kāi)發(fā)具有特殊功能的下功能板卡，客戶(hù)可以通過(guò)與啟科量子的合作，將板卡定制化為實(shí)驗(yàn)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(lèi)型的電信號(hào)。測(cè)控系統(tǒng)作為測(cè)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(jì)算機(jī)中需要實(shí)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(jí)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(hào)質(zhì)量將直接影響量子邏輯門(mén)的操作。TTL板卡的主要功能是實(shí)現(xiàn)快速通斷操作，方便實(shí)驗(yàn)者在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)千次實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，量子比特相關(guān)時(shí)間有限，所有邏輯門(mén)操作都需要在短時(shí)間內(nèi)快速完成，從而實(shí)現(xiàn)快速通斷操作TTL它是不可或缺的。此外，TTL可用作探測(cè)量子比特狀態(tài)的輸入端口。

未來(lái)，啟科量子將陸續(xù)發(fā)布下級(jí)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(jì)算機(jī)的研發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。