啟科量子：打造離子阱量子計算領(lǐng)域的“中國名片”

白玉潔

量子科技被認為是引爆第四次科技革命的關(guān)鍵，因此從政府到各企業(yè)，全都蓄勢待發(fā)。

從“量子優(yōu)越性”里程碑多次實現(xiàn)，到世界各國爭相公布野心勃勃的發(fā)展規(guī)劃，從諾貝爾物理學(xué)獎花落量子信息技術(shù)，再到全球科技巨頭斥巨資摹畫……量子物理學(xué)聽起來玄而又玄，但全世界的科技工作者，正不約而同試圖利用量子世界中的一些特點，希求獲得打開科技宇宙深處的一把密鑰。

作為在世界版圖上越來越占據(jù)重要位置的我國科創(chuàng)企業(yè)，同樣不遑多讓。

2023年2月，國內(nèi)首家離子阱量子計算公司——國開啟科量子技術(shù)（北京）有限公司（以下簡稱“啟科量子”）正式發(fā)布了我國首臺模塊化離子阱量子計算工程機，為我國原子型量子計算機從關(guān)鍵技術(shù)突破、實驗室研發(fā)、原理樣機研制到產(chǎn)品工程化邁出了關(guān)鍵一步。

犯其至難而圖其至遠者

1964年的11月，發(fā)明了著名的費曼圖和一大堆量子理論的頂級科學(xué)家費曼，在康奈爾大學(xué)開展“物理定律的本性”系列演講中，非常誠懇地講出了下面一段話：“我想我可以有把握的說，沒有人真正理解量子力學(xué)，因而，不必太認真地對待我這一講座，覺得你真的通過我所描述的某種模型弄懂了什么，你只要自由自在地欣賞它就好了?！?/p>

如今時間已經(jīng)過去了大半個世紀之久，師從國際量子物理基礎(chǔ)檢驗和量子信息領(lǐng)域的先驅(qū)和重要開拓者、2022年諾貝爾物理學(xué)獎得主安東·塞林格，構(gòu)建了一套比目前全球最快的超級計算機快一百萬億倍的光量子計算系統(tǒng)，被稱為我國“量子之父”的潘建偉在其尚未達知名之年時表示，“如果能弄明白為什么會有量子糾纏，我立即死了都愿意?！?/p>

毋庸置疑，從1900年至今，量子世界依舊詭譎離奇、匪夷所思和難以捉摸。但這個世界向人類透露的丁點光亮，卻帶領(lǐng)人類科技向前走了一大步，這也成為眾多科技工作者、科技企業(yè)成為明知其難仍孜孜不倦探索的最大動力。

啟科量子是其中一員。

啟科量子正式成立于2019年1月，是目前國內(nèi)首家且唯一一家兼具量子計算與量子通信研發(fā)能力的企業(yè)。團隊包括50多位科學(xué)家和工程師，核心人員曾于2003年領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)出全球第一套商業(yè)化量子通信系統(tǒng)，于2012年實現(xiàn)全球首次在離子阱芯片上的離子囚禁。

2020年，綜合離子阱技術(shù)本身優(yōu)異的特性以及外部適宜的發(fā)展環(huán)境等多重因素，啟科量子開始離子阱量子計算工程機的研發(fā)，并宣布2—3年內(nèi)完成離子阱量子計算機研發(fā)。

彼時，UQ、IonQ、Quantinuum等“優(yōu)等生”在離子阱領(lǐng)域已經(jīng)研究了多年，取得的多項成果正將離子阱量子計算推向全球新的商業(yè)熱點，各方佼佼者競爭蓄勢待發(fā)，啟科量子的入局在賽道中舉起了中國旗。

在此之前，啟科量子已經(jīng)完成基于單光子的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)研發(fā)，實現(xiàn)基于糾纏態(tài)的量子信息傳輸，落地了量子保密通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、量子保密通信網(wǎng)絡(luò)運維產(chǎn)品、量子安全應(yīng)用產(chǎn)品和脈沖激光器等核心組件。

2021年1月，基于新一代小型化的量子通信設(shè)備研發(fā)和量產(chǎn)，以及百比特離子阱量子計算機研發(fā)，啟科量子獲得了來自中關(guān)村發(fā)展前沿基金、中關(guān)村金種子基金等的5000萬投資。

事雖難，做則必成

2023年2月13日，如約2年，啟科量子在萬眾矚目中正式發(fā)布國內(nèi)首臺離子阱量子計算工程機，并通過國內(nèi)量子信息、原子物理、光電子學(xué)等領(lǐng)域知名專家的評審，認證其綜合工程化水平已經(jīng)進入國際先進行列。

啟科量子解釋，此次發(fā)布的工程機1.0（“天算1號”）由工作環(huán)境控制、離子阱、光學(xué)、電子測控四大子系統(tǒng)構(gòu)成，每個系統(tǒng)又由若干模塊組成。各個模塊通過插箱方式實現(xiàn)了與整機系統(tǒng)上的互聯(lián)，極大提升了模塊更換的靈活性。據(jù)悉，該研發(fā)團隊還對各模塊的空間布局進行優(yōu)化，使整機更加緊湊。值得一提的是，在操作方面，該工程機采用人機交互界面設(shè)計，對每個系統(tǒng)智能化控制，大大降低了量子計算機的操作復(fù)雜性，使過去只能在專業(yè)原子物理實驗室完成的實驗操作化繁為簡，拓寬了離子阱量子計算機的適用范圍。

這關(guān)鍵一步，也是離子阱量子計算技術(shù)從實驗室到商業(yè)化的重要一步。

根據(jù)啟科量子介紹，該離子阱量子計算工程機突破了超低溫真空系統(tǒng)，提升了離子囚禁時間，能夠進一步提高真空度，保障了離子囚禁的穩(wěn)定性、可操作性。

采用的模塊化設(shè)計，可將大量分立光學(xué)元器件靈活獨立組裝集成，其采用的光纖跳線連接方式，在單獨模塊替換時可不影響整體允許，將便于后期模塊分別進一步小型化、工程化。

其通過對機箱采用的一體化設(shè)計，不僅極大提升了對外界電磁場的屏蔽能力，同時提升了量子計算機的強韌性，為提高保真度準(zhǔn)備了條件。

可貴的是，不同于實驗室測控系統(tǒng)采用的只有科研人員能夠操作的分立測控設(shè)備，啟科量子的離子阱量子計算工程機采用了集成一體化測控，所有儀器設(shè)備的操控均可通過同一測控系統(tǒng)來完成，為未來商業(yè)化，接入混合云算力奠定了非常重要的基礎(chǔ)。

而離子阱領(lǐng)域的核心痛點芯片問題，其設(shè)計的離子阱芯片結(jié)構(gòu)和制造工藝已經(jīng)達到能夠維持適合該特定離子種類的RF電壓，并能極盡減少射頻場與襯底的耦合。根據(jù)啟科量子相關(guān)負責(zé)人介紹，其設(shè)計的離子阱芯片的所有材料均與超高真空環(huán)境兼容，并且在激光源、檢測器和離子之間永有通暢無阻的光學(xué)通路，并且其較低的表面粗糙度成功減少了冗余的激光散射，避免了芯片在低溫下的異常加熱情況。

這些，均得益于啟科量子核心團隊二十余年離子阱領(lǐng)域的深耕和鉆研。而離子阱量子計算工程機誕生后產(chǎn)生的潛力可以用不可估量來形容。

量子技術(shù)

全球產(chǎn)業(yè)鏈布局的關(guān)鍵密鑰

2023年，AI浪潮洶洶來襲。

據(jù)《元宇宙日報》統(tǒng)計，截至3月底，已有20家上市公司布局了AIGC相關(guān)應(yīng)用。而這波浪潮，到現(xiàn)在為止只能說剛剛開始。

而誰能取得最終的勝利，差距主要在于算力。

毫無異議，AIGC越深入，算力壓力越高。如今，各地方大力布局大數(shù)據(jù)中心便是證明。速度快超級計算機一百萬億倍的光量子計算系統(tǒng)，便是未來AI無限深化的基石。

同理，作為全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)關(guān)鍵密鑰的量子技術(shù)，未來在供應(yīng)鏈、金融、制藥、化工、交通、汽車、物流、航空、能源、氣象等領(lǐng)域都將注入“經(jīng)典—量子”異構(gòu)算力，為各產(chǎn)業(yè)帶來裂變式的顛覆。

所以，量子科技被認為是引爆第四次科技革命的關(guān)鍵，因此從政府到各企業(yè)，全都蓄勢待發(fā)。但這一奇跡到底是什么樣子？什么時候出現(xiàn)？誰第一個建出來？這些都是未知的。我們唯一所知的是，它需要時間，但總有一天會出現(xiàn)。

如今，如約誕生出國內(nèi)第一臺模塊化離子阱量子計算工程機的啟科量子，其長期目標(biāo)是持續(xù)進行分布式離子阱量子計算機的研發(fā)，建立通信與計算相結(jié)合的第三代量子網(wǎng)絡(luò)：即以連接量子計算機為核心的量子互聯(lián)網(wǎng)，縮短與國外的離子阱量子計算機研發(fā)差距，甚至實現(xiàn)技術(shù)超越，打造離子阱量子計算領(lǐng)域的“中國名片”。