国产量子计算机“悟空”即将问世,离国际领先水平多远?

来源:观察者网

2022-12-17 09:21

张辉

张辉作者

安徽省量子计算工程研究中心主任,合肥本源量子计算科技有限责任公司总经理

【文/观察者网 李泽西  编辑/张广凯】

在经典计算机的早期研发过程中,中国十分遗憾地处于跟随者位置。不过,中国对量子力学前期战略性的关注和投入,正在取得令人瞩目的回报。

观察者网了解到,合肥本源量子计算科技有限责任公司(以下简称为“本源”或“本源量子”)即将推出“悟空”计算机,以及为其专门配套的“悟空”芯片。“悟空”计算机有望成为国内顶尖的实用量子计算机,部分报道称之为“中国最强量子计算机”。

“悟空”的问世究竟有多大意义,与国内其它量子计算机有何区别?中国量子计算行业与西方尚有哪些差距?近日,本源量子的总经理张辉接受观察者网独家专访,透露了“悟空”计算机的更多细节,并深入探讨中国量子计算行业未来的发展方向。

本源悟源量子计算机外景

以下为专访实录:

观察者网:实验室阶段的量子计算机,已经不算是非常新鲜的事物了,“悟空”量子计算机和芯片有什么特别的意义?是否具备了量产能力?

张辉:现在量子计算机处于刚刚从研发开始转向工程化的阶段。本源最主要的责任不只是在于科学研究, 更重要的是做工程化的量子计算机。如果按整机来算的话,从去年以来总共大概只有两台量子计算机的销售。单纯讲量子芯片的话,我们一年生产几百片、几千片也不是问题。这些生产的量子芯片全部都可以直接用于悟空量子计算机,一台量子计算机对应专门的一个量子芯片。

因为我们刚从研发开始往工程化上在走,所以芯片的生产还是需要不断地提升质量。我们交付给用户时,会从我们的测试的芯片中挑一块相对稳定或者质量相对好一点的。

观察者网:以现在的发展速度,量子计算机大概什么时候可以实现大规模商用?

张辉:从全球来看,量子计算的企业都是刚从研发开始往工程化商业化方向前进,目前设立的目标大概是2030年实现。包括IBM、谷歌这些量子计算赛道里面最强的团队,以及我们本源,都希望在2030年跨入比特位数比较高的通用量子计算机时代。

观察者网:量子计算机与经典计算机芯片相比,算力如何?适合哪些应用,不适合哪些应用?

张辉:我们这次推出的最新产品“悟空”芯片,会高于64比特位数。理论上,n个量子比特位数的存储能力,相当于2的n次方个经典计算机位数。 但是量子芯片和经典计算机芯片的算力不能直接对比,因为量子计算机和经典电子计算机能解决的问题领域目前是不太一样的,只有少部分交点。

本源超导24比特量子芯片

量子计算机更擅长海量数据并行运算、模拟分子原理,经典计算机处理则较为困难。相反,如果用量子计算机去处理传统计算机很擅长的加减乘除、运行游戏、播放视频电影等功能,我觉得这体现不出来量子优势,量子计算机并不对这些问题有直接的加速的作用。短期内,量子计算机应该不会去解这些问题,因为经典计算机已经解得非常不错了。

观察者网:那么量子计算机的具体应用方向有哪些?在本源量子云的网站上,将近一半的应用都是金融。在这方面,量子计算有什么特殊的优势吗?在实际应用中,效果如何?

张辉:量子计算机在海量数据并行运算、模拟分子原子的运动规律,或者是生物、化学材料合成领域,有得天独厚的优势。我们做量子计算机,就是从数学或物理的层面去制造这个工具。我们设计的这些算法,映射到实际应用当中,可以解决很多金融、生物医药、化工材料、人工智能行业的数学问题。

我们率先在金融方向上有比较多的应用,首先是因为金融行业对这种前沿的科技可能会比较敏感一些,比较愿意先去试用所以我们现在在金融方向突破比较快一点。当然,你也可以看到我们在人工智能、化学材料这些方向上也在做相应的一些部署这个是由市场规律决定的,即市场前景相对广阔一点的行业,包括生物医药,可能会对这种先进的技术更为敏感、需求度会高一些。所以我们也会率先在这些行业上开展量子计算的一些部署工作。

观察者网:本源量子计算云已经在运行,其实际应用效果如何?

张辉:我们是从底层的物理和数学问题上去设计一些算法,帮助我们的用户去解决他们的实际问题。量子计算从研发往商业化的过程中,一方面需要我们积极地去跟用户走近,另一方面用户也要跨一步向我们这边走。

比如说生物医药,我们其实对生物医药这个行业并不了解,所以我们会开放量子云平台给我们的用户来访问和使用,我们需要生物医药的这些伙伴们来提供他们行业中的问题,以及这些问题对应的数学模型、物理模型,这样更直接、有针对性地解问题。

观察者网:本源量子把谷歌、IBM的超导量子计算机,以及英特尔的半导体量子芯片作为对标对象。相比国外的量子计算机,本源量子哪些地方更为优越?哪些地方还有待赶超?

张辉:从目前本源的产品和研发进度上来看,硬件方面我们比他们落后一些。我们所说的对标,意思是谷歌、IBM以及英特尔等都是我们的目标、我们尊敬的学习对象。不过,在国内,作为一个整体生态而言,本源目前还是有一定优势的,比如在软件和操作系统方面,以及我们的Q-EDA(量子电子设计自动化)工具。今年的全球量子计算发明专利排行榜上,本源也有幸能够排到全球第六位。当然,我们跟前面这些老大哥们还是有一些差距的,这也是我们前进的方向。

谷歌悬铃木量子计算机

观察者网:很多报道称,中国的量子力学处于全球领先地位,如何理解这种领先?为什么中国在硬件方面还在追赶国外企业,差距有多大?

张辉:中国在量子科学研究方面的确在全球处于第一梯队,所以中国人应该对量子信息和量子技术有信心。中国在论文数量、专利数量名列全球前茅。

但是在量子计算赛道里面,我们相对落后一些,因为其中涉及到很多工程化的问题,而我国整体工业基础会落后一些比如说,量子计算的超导和半导体这样两条路径,需要用到传统计算机中的一些集成电路芯片的技术、设备,这些方面国内相对落后一些。从公开数据上看,我们整体落后大约3~4年。

另一个很重要的差距,是IBM和谷歌这些非常领先的团队,大概从上世纪的90年代就开始做相应的部署,他们在工程化路径上的探索远远早于我们本源。本源是国内最早成立的量子计算公司,但那也已经是2017年了。我们国内才刚开始往量子计算工程化的路径上探索。

观察者网:10月5日,英特尔称自己成功地研发出了具有“显著均匀性”的量子芯片,300毫米的硅片良品率达95%。我国的芯片研发目前处于什么水平,何时可达到英特尔的水平?

张辉:英特尔是一个非常伟大的企业,它在传统计算机芯片的设计制造上,应该说是全球老大哥的角色了,所以它的整个集成电路和芯片制造经验、设备、人才等,应该说都远远领先于全球所有团队,这是它的一个非常大的优势。量子计算作为一个新兴技术,从最底层的材料开始,都需要去重新研发和制造。针对量子计算需要的材料,英特尔有非常先进的技术、设备以及人才积累。他们从原材料晶圆开始就有非常先进的技术,这是我们需要学习的一个点。

英特尔量子芯片

观察者网:您提到量子计算也需要集成电路、半导体技术,这是不是意味着量子芯片也可能受到美国技术封锁的威胁,可能没法真正帮助中国“弯道超车”?

张辉:首先,我认为量子计算这个技术应该属于全人类的,我相信未来在量子计算赛道里面,中国人也会贡献中国人的智慧和力量。虽然我们现在努力在追赶国际上最好的团队,但我们也有一些比较好的原创性技术产生,所以我觉得未来人类的量子计算也一定是有中国人参与的。

另一方面,虽然我们是追赶的角色,但是放眼全球,量子计算目前处于比较白热化的竞争状态。我们经常讲的是希望中国在量子计算领域上首先“不踏空”。我希望我们能够去为我们的国家努力在量子计算赛道里面争取一些比较核心的专利,然后未来能够代表国家去参与全人类量子计算的整个部署工作。

但现阶段而言,这些国际上最强的团队确实无论在资金、人才、设备上都远远领先于我们。弯道超车,我觉得还是很遥远的一个事情。本源现在是在努力靠近他们,希望能够为量子计算贡献我们的力量、智慧。

观察者网:那么从国内来看,“悟空”算得上是全国最强量子计算机吗?

张辉:从国内公开的信息上来看,在工程化的量子计算机生产制造上,本源是目前唯一能够向用户去交付工程化量子计算机整机的公司。另一方面,现在公众对量子计算机的认知,可能比较关注比特数这个参数指标,包括IBM做到433比特,包括谷歌做到72比特,大家都在用比特数在做比较。从公众比较关心的参数量上,悟空在国内目前公开报道上应该是最高的。所以从这两个维度上,可以认为我们即将发布的悟空量子计算机应该是国内最先进的一代量子计算机。

观察者网:悟空量子计算机,与国内更早前发布的九章计算机在路线上、能力上有什么区别?为什么悟空似乎知名度要低一些?

张辉:九章是我们中科大潘建伟院士团队的项目和成果,在全球来看,它是光学体系下,最早能够在科研环境中达到量子优越性(比任何经典计算机都能更快解决问题)的量子计算机,非常了不起,所以相对来说在国内知名度也会更高一些。这就像谷歌19年达到量子霸权一样,我相信谷歌的这项成果在未来人类量子计算史上也是具有里程碑意义的事件。之后IBM等也有很多量子优越性的成果,知名度就不会有“第一台”这么高。

九章量子计算机

目前我们的悟空量子计算机还在筹备阶段,本源的一个目标是希望在工程化以及向用户交付可用的量子计算机上,能够更务实地跨出这一步,接下来能够在解决实际的应用问题上得到用户的肯定,这是我们在努力做的一件事情。

观察者网:悟空量子计算机采用什么样的一个技术路线呢?相比九章是用光学的话,两者区别是什么?

张辉:悟空采用的是超导技术路线,简单理解就是用电学体系。

目前从量子计算的最底层的技术来看,据不完全的统计,全球大概有十几条的路径。我经常打个比方,今天的量子计算机相当于上世纪五、六十年代还处于电子管时代的经典计算机阶段;当时,晶体管还没有发明,集成电路更没发明,未来它收敛到哪个技术上,目前还是不能有定论的。

从全球来看,包括刚才提到的超导,还有半导体路径,都是电学体系。此外还有光学体系、离子阱、冷原子等很多种技术路径。每一条路径,从目前来看,都是有它的优点和缺点,目前还没有哪一条路径一定是完全收敛的。

目前全球的产业化和工程化方案中,电学体系相对来说更成熟一点,或者说推进的更快一些,包括IBM、谷歌、英特尔这些比较老牌的计算机公司都是在电学上做部署。这是因为电学的工业基础好,与经典计算机存在部分相通性,在工艺、技术、设备、人才经验上都已经有非常多的积累,相比其他新的体系,像光学、离子阱、冷原子等,是有更多的工业条件去实现。

而光学、离子阱主要是一些研究团队或者一些初创公司在做,他们会更愿意选择新的路径去探索实践。目前量子计算赛道的阶段特点还是百花齐放,我相信未来根据每条路径的推进情况,慢慢的也会有一些路径被淘汰掉,有一些路径可能会整合,最终大家会慢慢的去收敛,形成人类未来量子计算机的形态。本源量子现在主打电学体系,我们有两条路径:一条是超导,即IBM,谷歌现在主推的,还有一条就是英特尔在主推的CMOS(互补式金氧半导体)工艺,或者说半导体量子点技术。

观察者网:公开信息显示,本源量子在2017年注册时注册资本仅720万元。短短五年时间,你们是如何发展到今天的规模?

张辉:本源应该是生在一个非常好的时代,是“天时、地利、人和”。量子计算这几年在全球快速升温,所以这个赛道吸引着越来越多的资本、人才、专家,这是一个非常好的“天时”。

“地利”指的是,我们国家正在全力推进科技创新,从中央政府往下,这几年都非常鼓励原创技术和硬科技的发展,高校获得了大力支持。我们从中科大孵化出来,在科技发展和技术上比较有优势。

“人和”方面,在本源成立之前,我们的团队就非常早地从科学研究上涉足到量子计算,2003、2004年我们就开始做这方面的事情,积累了非常多的经验、技术,最重要的是积累了一批人,这一批人也是本源能够快速奔跑的一个核心条件。

观察者网:在营收方面,你们目前处于什么样的状态?是否支出大于收入?

张辉:是的。至少从我们目前掌握的信息来看,所有的量子计算公司应该都是研发投入大于产出的。本源非常重视研发,特别是人才的培养,资金投入还是比较大的,至少远大于我们的产出。我们也得到政府和基金在资金上对我们非常大的支持,能够让我们团队心无旁骛的全力往前冲刺。

本源工作人员调试悟源计算机

观察者网:过去一年,特别是过去几个月,整个科技行业的融资有降温的趋势,包括很多美国的科技企业都在裁员,这个对你们有没有什么直接或间接的影响?

张辉:量子计算赛道里面,我们看到的一些报道是,无论从各个公司的融资数据上,还是从量子计算专业人才的数量上,都是在逆势增长。整个大环境处于下降态势,很多科技企业在裁员,很多的资金投入可能在减少,但是量子计算赛道应该还是在持续升温的状态。

观察者网:量子计算下一个重大突破点在哪?

张辉:我认为量子计算下一个爆发点一定是在应用端实现量子优越性或者说量子霸权。从2019年开始,谷歌率先实现量子霸权,解决的是随机采样的数学问题。到2020年左右,九章用光学体系去实现了玻色采样的量子优越性。全球最先进的团队都在努力把量子计算机造出来,首先去实现一些科学研究上的突破。

我认为下一个爆发点一定是在实际的应用场景中实现量子优越性,让量子计算机真正在一些具体问题上能够展现出它的价值。

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责任编辑:李泽西
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