中國第三代自主超導量子芯片悟空芯

近日，量子計算芯片安徽省重點實驗室、安徽省量子計算工程研究中心聯合發布了中國第三代自主超導量子芯片“悟空芯”（夸父 KF C72-300），并已在近期發布的中國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”上成功運行。

量子計算是一種利用量子原理進行信息處理的新型計算方式，它可以在極短的時間內完成傳統計算機無法解決的復雜問題，被認為是未來計算技術的革命性突破。 

“悟空芯”封裝盒

據介紹，“悟空芯”擁有72個超導量子比特，取名來源于孫悟空的“72變”，寓意其強大的計算能力及潛力，搭載該款量子芯片的量子計算機是目前中國最先進的可編程、可交付超導量子計算機。同時，“本源悟空”匹配了本源第三代量子計算測控系統“本源天機”，在國內首次真正落地了量子芯片的批量自動化測試。

“悟空芯”是本源量子自主研發的夸父系列量子芯片，屬于第三代產品。與前兩代量子芯片相比，第三代夸父超導量子芯片具有更高的相干時間，性能上有顯著提升。2020年，第一代夸父6比特超導量子芯片KFC6-130研制成功；2021年，第二代夸父24比特超導量子芯片KFC24-100研制成功。

具體來說，“悟空芯”采用了72個計算量子比特的設計方案，還包含126個耦合器量子比特，共有198個量子比特，其實際運行狀態下的比特弛豫時間T1≥15.3μs，退相干時間 T2≥2.25μs。而基于該款量子芯片的“本源悟空”量子計算機可一次性下發、執行多達200個量子線路的計算任務，從而比只能同時下發、執行單個量子線路的國際同類量子計算機具有更大的速度優勢。

“悟空芯”放大模型

量子計算芯片安徽省重點實驗室副主任賈志龍博士介紹，“悟空芯”以及“本源悟空”量子計算機的發布，是中國超導量子計算機制造的一張新“入場券”，意味著中國超導量子計算機制造能力從小規模開始進入中等規模階段，具備了自主生產一定中等規模的可擴展的量子計算機芯片和系統的能力。

全球角逐

何謂量子計算機？形象地說，“在量子計算機面前，傳統的計算機就像‘算盤’”。超導量子計算機，則是基于超導電路量子芯片的量子計算機。

· 2019年，來自谷歌的量子人工智能研究團隊就研制出具有53個超導量子比特的量子計算機，并且展現出強大的運算能力。在針對某個特定復雜計算任務的求解上，該款超導量子計算機只需要200秒就可以成功完成任務，而如果采用當年世界上排名第一的超級計算機進行計算，則需要長達一萬年才能實現。

· 2021年，中國超導量子計算機“祖沖之二號”上線。該款超導量子計算機的量子比特數目達到66個，并且在運算速度方面比2019年谷歌發布的系統快接近一萬倍。

· 2023年，IBM的433位超導量子比特處理器Osprey在其云平臺上線；中科大擴展超導量子處理器“祖沖之二號”可操縱量子比特至176位；蘇黎世聯邦理工基于超導量子電路完成無漏洞貝爾實驗……

至2023年10月，全球29個國家和地區制定和發布了量子信息領域的發展戰略規劃或法案，公開信息不完全統計投資總額超過280億美元。業內預測，2023-2027年，全球量子計算市場的投資將以11.5%的復合年增長率保持增長，到2027年底，量子市場的投資將增長到164億美元。

量子計算是一個全球性的競爭領域，各國都在積極投入和探索，“本源悟空”的上線將為中國在全球量子計算競爭中取得更好的地位，但也要清醒看到和世界量子計算強國間尚有不小差距。

超導量子芯片的穩定性和長期保存量子信息的能力是實現量子計算機商用的關鍵。目前，超導量子計算機的規模較小，處理復雜問題的能力有限，為了實現商業化應用，需要進一步擴展量子芯片的規模，提高量子比特的數目和相干時間等性能指標。另外，隨著量子芯片規模的擴大，量子計算機的能耗和散熱問題將更加突出，需要開發高效的能源利用和散熱技術來解決。