“量子比特一次翻轉(zhuǎn)的能量，相當(dāng)于一只蝴蝶振翅所需能量的十萬分之一。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)總師朱曉波曾用這個(gè)比喻來解釋量子測(cè)控的難度，大國工匠、國盾量子副總裁、研發(fā)總監(jiān)唐世彪進(jìn)一步解釋：“我們要測(cè)控這個(gè)微小信號(hào)，同時(shí)確保測(cè)控過程本身所產(chǎn)生的噪聲不超過這個(gè)量級(jí)?！?/div>
“我們把量子芯片做出來了，性能也不錯(cuò)，但測(cè)控系統(tǒng)還得依賴國外采購。”唐世彪坦言，這就像設(shè)計(jì)出一輛頂級(jí)賽車，卻不得不使用別人的方向盤和控制系統(tǒng)。
在早期，這種選擇是務(wù)實(shí)的。國際上已有相對(duì)成熟的測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)品，購買現(xiàn)成設(shè)備能夠顯著加快科研進(jìn)程。
然而，隨著中國量子計(jì)算機(jī)從原理驗(yàn)證走向?qū)嶋H應(yīng)用，隱患逐漸顯現(xiàn)：國外供應(yīng)商開始收緊技術(shù)出口。
“最好的設(shè)備他們留著自己用，賣給我們的往往不是最新一代?！碧剖辣牖貞浀?，“就像光刻機(jī)、稀釋制冷機(jī)一樣，這是典型的‘卡脖子’環(huán)節(jié)?！?/div>
隨著中國在量子通信領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑，量子計(jì)算也進(jìn)入國際第一梯隊(duì)。隨之而來的，是愈發(fā)嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。
自主研發(fā)，已不再是“要不要”的選擇，而是“必須走”的道路。
02在沒有靶標(biāo)的路上修路
帶著“我們不能成為量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域短板”的共識(shí)，國盾量子在2015年前后開始系統(tǒng)性布局超導(dǎo)量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)研發(fā)。彼時(shí)，團(tuán)隊(duì)規(guī)模只有十來個(gè)人，對(duì)標(biāo)的卻是國際巨頭數(shù)十年的技術(shù)積累。
壓力來自多個(gè)方向。一方面，是時(shí)間窗口的壓力。量子芯片的迭代節(jié)奏并不穩(wěn)定，可能突然取得突破，而測(cè)控系統(tǒng)體量龐大、研發(fā)周期長，必須提前布局；另一方面，是指標(biāo)本身的不確定性。
“我們基本是在迷霧中修路?！碧剖辣胄稳莸溃皣獠粫?huì)公開技術(shù)路線，我們也沒有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)可以參照。”
“最難的是沒有靶子。”唐世彪說。研發(fā)期間，并不存在性能足夠高的量子芯片，來為千比特測(cè)控系統(tǒng)提供“反向驗(yàn)證”指標(biāo)的合理性。許多參數(shù)只能通過反復(fù)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和與科學(xué)團(tuán)隊(duì)的深度協(xié)同來不斷修正。某些指標(biāo)今天看似已經(jīng)足夠；一個(gè)月后，可能又被證明仍需提升。有些參數(shù)可以讓步，有些則絕不能妥協(xié)。多個(gè)指標(biāo)之間相互牽制，往往呈現(xiàn)出“按下葫蘆浮起瓢”的狀態(tài)。
這種情況下，唯一的應(yīng)對(duì)方式，就是快速響應(yīng)與持續(xù)迭代?！爸灰惶鞗]有定型，我們的優(yōu)化就不會(huì)停。”唐世彪說。
如今，即便ez-Q Engine2.0已正式發(fā)布半年多，團(tuán)隊(duì)仍在持續(xù)推進(jìn)性能指標(biāo)的打磨和提升——不是追求一次性完成，而是不斷逼近極限。
03翻過一座又一座高山
在ez-Q Engine2.0研發(fā)中，第一個(gè)“攔路虎”出乎意料的“基礎(chǔ)”——散熱。
“集成度提高后，熱量就集中了。一個(gè)板卡的溫度變化1度，就可能導(dǎo)致量子比特的控制信號(hào)失真?！碧剖辣虢忉?。
為此，團(tuán)隊(duì)搭建了專門的高低溫實(shí)驗(yàn)箱，模擬從-50℃到80℃之間，不同溫度、濕度環(huán)境。工程師們需要觀察板卡內(nèi)上百個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化，在密集的數(shù)據(jù)中分析不同器件的散熱狀況，探尋最優(yōu)散熱方式。
“那半年，我們就像在和時(shí)間賽跑?！碧剖辣牖貞?，一輪實(shí)驗(yàn)要持續(xù)三四天，結(jié)束后立刻分析數(shù)據(jù)、調(diào)整設(shè)計(jì)，再重新進(jìn)入下一輪測(cè)試——循環(huán)往復(fù)，沒有捷徑。最考驗(yàn)?zāi)托牡?，是仿真與實(shí)測(cè)之間的偏差。團(tuán)隊(duì)建立了復(fù)雜的熱仿真模型，但結(jié)果始終與實(shí)際測(cè)量存在出入。工程師們只能不斷修正參數(shù)、重構(gòu)模型，直到仿真結(jié)果能夠真實(shí)反映溫度分布。
從百比特到千比特，不僅僅是數(shù)量增加，更是質(zhì)的變化。如何讓上千個(gè)控制信號(hào)嚴(yán)格同步，這在世界范圍內(nèi)都是技術(shù)難題。
“想象一下千人閱兵，步伐必須完全一致?！碧剖辣氡扔鞯?，“量子控制的時(shí)間精度要達(dá)到納秒級(jí)，一個(gè)比特不同步，整個(gè)計(jì)算就可能出錯(cuò)?！?/div>
從2024年10月開始，團(tuán)隊(duì)用了近半年時(shí)間對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)。他們?cè)O(shè)計(jì)了全新的時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)，確保每一個(gè)控制通道都能獲得高度一致、穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘信號(hào)。
最緊張的時(shí)刻，發(fā)生在一次關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)中——量子芯片突然“失鎖”，控制信號(hào)無法準(zhǔn)確鎖定量子比特，實(shí)驗(yàn)被迫暫停。“現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不能輕易動(dòng)，影響因素太多?！碧剖辣肓⒓磫?dòng)應(yīng)急預(yù)案，“必須在實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)故障”。
接下來兩周，團(tuán)隊(duì)白天分析日志、定位問題，晚上搭建模擬環(huán)境、驗(yàn)證解決方案。最終定位了問題——一個(gè)邏輯IP在極端工況下出現(xiàn)了時(shí)序異常。
好在，問題并不需要推翻硬件設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)通過更新邏輯IP修復(fù)了缺陷。當(dāng)修改后的系統(tǒng)重新上線，量子信號(hào)恢復(fù)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)室里的人才真正松了一口氣。
“反而到最后驗(yàn)證時(shí)，我們很平靜。”唐世彪說，“因?yàn)槊恳徊蕉甲鲈鷮?shí)了，心里有底?！?/div>
04沒有終點(diǎn)的競(jìng)賽
如果說散熱和同步是“硬功夫”，那么噪聲控制就是“內(nèi)功心法”。
“量子比特非常脆弱，環(huán)境噪聲很容易淹沒信號(hào)?！碧剖辣虢忉?，“我們必須把電子噪聲做到極限——不能比當(dāng)前工藝水平下芯片本身的噪聲更高?！?/div>
這是一場(chǎng)沒有終點(diǎn)的競(jìng)賽。團(tuán)隊(duì)從電源噪聲入手，逐步優(yōu)化每一個(gè)環(huán)節(jié)：電路設(shè)計(jì)、材料選擇、屏蔽結(jié)構(gòu)……甚至開始研究實(shí)驗(yàn)室的接地噪聲。
“這已經(jīng)超出了傳統(tǒng)測(cè)控電子的范疇?！碧剖辣胩寡裕暗绻唤鉀Q，就會(huì)成為系統(tǒng)瓶頸?！?/div>
也正是這種近乎苛刻的精益求精，讓中國在量子計(jì)算的“中樞神經(jīng)”上，完成了關(guān)鍵一躍。
相比上一代產(chǎn)品，ez-Q Engine2.0集成度提高了約10倍，單機(jī)箱最高支持128個(gè)數(shù)據(jù)比特及256個(gè)耦合比特，8臺(tái)就能完成千比特操控任務(wù)，核心元器件采用國產(chǎn)化設(shè)計(jì)，是國內(nèi)同類產(chǎn)品中體積最小、性能最優(yōu)的，在保持核心技術(shù)指標(biāo)國際先進(jìn)水平的同時(shí)，價(jià)格不到國外產(chǎn)品的一半。
但這仍只是階段性成果。隨著“祖沖之四號(hào)”對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、同步精度和噪聲控制提出更高要求，下一代測(cè)控系統(tǒng)的研發(fā)已同步啟動(dòng)。
在這條尚無清晰靶標(biāo)的量子計(jì)算之路上，測(cè)控系統(tǒng)仍需持續(xù)向前延伸。唐世彪和他的團(tuán)隊(duì)所做的，是在微觀世界中不斷捕捉“蝴蝶振翅”的微光，并讓這束微光，穩(wěn)定地照亮量子計(jì)算邁向更大規(guī)模的未來。
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