“本源悟空”：中国最新款量子计算机

2024年1月6日，我国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上线运行。随后，“本源悟空”向全球用户限时免费开放，接收量子计算任务，吸引了125个国家超千万人次访问。截至目前，“本源悟空”已完成25万多个项目。

“本源悟空”量子计算机搭载的是72位自主超导量子芯片“悟空芯”。它真的有如孙悟空般强大的本领吗？它攻克了哪些技术难关？有哪些实际应用？

中国造量子计算机已被“用起来”

上线数月，“本源悟空”用户任务需求仍在不断增长排名前三的国家有美国、加拿大和日本，且已收到付费运算请求。

“本源悟空”研制团队负责人、中国科学技术大学教授郭国平曾说：“科技自立自强不只是发论文做实验，而是要研发并制造出一个个科技产品，让经济主战场能用，让国家重大需求有科技解决方案。我们要造中国自主量子计算机，让中国量子计算机参与国际经济合作。”

2024年4月，“本源悟空”成功装备了国内首个PQC（Post Quantum Cryptography，后量子密码）“抗量子攻击护盾”——PQC混合加密方法。这使得“本源悟空”能更好地抵御其他量子计算机的攻击，确保运行数据安全，也是中国数据安全新技术应用的一次重要探索。

现在，“中国造”量子计算机“本源悟空”已上线多款真机应用，涉及金融科技、量子人工智能、生物医药等领域，用户登录本源量子计算云平台即可使用，升级版的“本源悟空2号”也在加速攻关中……

这台量子计算机的“心脏”，叫“悟空芯”

“本源悟空”搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”，由本源量子计算科技（合肥）股份有限公司（简称“本源量子”）团队研制而成，是目前我国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。

生产线上的“悟空芯”诞生记——

“悟空芯”由中国首个自主量子芯片设计软件本源坤元Q-EDA设计。

“悟空芯”采用了72个计算量子比特的设计方案，还包含126个耦合器量子比特，共198个量子比特。

“悟空芯”在我国第一条量子芯片生产线上诞生。这条生产线导入了量子芯片激光退火仪、量子芯片无埙探针台等自主研发的量子芯片工业母机设备。

一块“悟空芯”制造出来要经过上百个工艺步骤，其中有许多光刻过程。光刻就是将光刻板上的图案映射到芯片上，定义芯片想要的结构，它是非常重要的步骤。同时，“悟空芯”对环境要求很高，正常工作温度在20毫开尔文左右，接近“绝对零度”（-273.15℃），在这个温度下用到的所有物料都要经过计算、论证、测试和批量验证，全部测试合格后才能使用。

量子计算机不是一台，而是一群

在本源量子计算机组装与测试实验室里，5台超导量子计算机一字排开，“本源悟空”是其中的一台。《西游记》中孙悟空吹出毫毛可以“变”出孙悟空，在这里，一群量子计算机是我国自主超导量子计算机制造链“造”出来的。

量子计算机整机包含量子芯片、量子计算测控系统、操作系统、应用软件等。“本源悟空”这四个方面目前均自主可控，国产化率已超过80%，其余部件已自研备用。

量子芯片“悟空芯”是“量子计算大脑”，需要在-273.12℃或更低的极低温环境中运行。高密度微波互连模组犹如神经网络，为“量子计算大脑”与外部设备之间的量子信息传输建立起高速、稳定的通道。在这一模组中，有一根至关重要的“线”：极低温特种高频同轴线缆。这根线曾一度被国外垄断，导致采购价格高昂。本源量子研制团队联合中电科40所攻关研制出国产高密度微波互连模组，在极低热泄漏环境下实现微波信号的跨温区稳定传输，让量子芯片能够发挥出更强大的计算能力。

“本源悟空”搭载了中国首个自主量子计算测控系统“本源天机”。量子计算测控系统能够提供量子芯片所需的精密信号的生成、采集、控制与处理，使得量子芯片最大程度发挥其性能优势，在量子计算机中不可或缺。“本源天机”在国内首次真正落地了量子芯片的批量自动化测试。

“本源悟空”搭载了中国首个量子计算机操作系统“本源司南”3.0版本。操作系统是管理计算机软硬件的“大管家”，也是决定其性能的关键技术领域。一个好的操作系统，可以统一调度管理计算资源，让量子计算机的运行更加高效、稳定。“本源司南”在国内首次支持量子计算任务批处理，能够支持量超协同计算，可高效调度量子计算资源，使量子计算机整机运行效率提升数十倍。

在“本源悟空”研制过程中，稀释制冷机、高密度微波互连模组、量子芯片生产工业母机设备等一台台关键部件诞生，我国超导量子计算机自主制造链基本成形。

中国自主量子计算机发展经历多代科学家接力

1998年，中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿正在筹办“量子通信和量子计算”香山科学会议。为了扩大会议影响，想邀请一位“大人物”来主持会议，这位“大人物”就是“两弹一星”元勋钱学森。

在致钱学森的信中，郭光灿院士大胆建议“要拿出当年搞‘两弹一星’的精神来搞量子信息”，并热切邀请钱学森主持会议。没过多久，郭光灿就收到了钱学森的回信。钱学森高度赞同他的观点，认为“我国应集全国力量xVh4u0HVdZJTFucEPVJs6XBrpUXKGFt6yimbftRVe6g=攻克量子信息系统的技术问题”。尽管钱学森因身体原因未能参会，但他的支持如曙光一般照亮了中国量子科学研究的前程。

从那时起，郭光灿院士开始申请相关研究项目。2001年，他获得了我国首个量子信息领域的国家级重大项目资助。2010年，郭光灿院士的学生郭国平接过接力棒，担任了“固态量子芯片研究”重大专项首席科学家。

超级未来“工业加速器”

在量子计算机赛道，国际科技竞争已经白热化。各国为何如此重视量子计算机？因为量子计算机是一个超级未来“工业加速器”，有诸多优势。

优势1：和稳定运行的量子计算机对比，现有最快的算力只如同一把“算盘”。2023年，谷歌做了一项对比测试，同一运算问题谷歌量子计算机用时3分钟，最快超算可能需要用时约50年。

优势2：量子计算机的强大算力可以快速找到一个自然界并不存在的分子结构，从而帮助药企缩短新药研发时间，使其药品研发能力在全球获得竞争优势。

优势3：量子计算机可以作为超级计算机的加速组件，将计算任务在量子计算机和超级计算机之间进行分解、调度和分配，实现量子计算机和超级计算机的高效协同，可以在大幅节约资源的情况下，双向发挥量子计算机和超级计算机各自的优势。

研发故事

中国最早的量子计算研究团队成立，一名团队成员以自己一生的工资为抵押，贷出了800万元研究经费，起步中国量子计算研究。

为了找出最好的量子芯片封装盒，研究人员需要在众多封装盒中筛选，而72比特量子芯片封装盒有接近300个端口，每个端口都要测试5次以上，一个封装盒就要测1500次。封装盒，仅仅是“本源悟空”研制中的一个环节。

关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。“本源悟空”研制经费每年投入过亿，虽然过程很艰难，但研制团队始终坚持中国的量子计算机核心技术一定要牢牢掌握在中国人自己手里。

知识链接

量子计算

第一次量子革命伴随量子力学的诞生而来，让我们拥有了原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位等重大技术。当前，人类社会正进入第二次量子革命，其中最重要的技术就是量子计算，这是一项颠覆性技术。

量子计算如果得到普遍应用，量子算力将以指数级增长，为人类社会带来翻天覆地的变化。例如，现行的公钥密码体系在算力足够强大的量子计算机面前，将会像一张白纸被轻易攻破；耗时动辄数十年的新药研发，引入量子算力后，有可能在几天内完成……

作者单位 本源量子计算科技（合肥）股份有限公司

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