中国第三代自主超导量子芯片悟空芯

近日，量子计算芯片安徽省重点实验室、安徽省量子计算工程研究中心联合发布了中国第三代自主超导量子芯片“悟空芯”（夸父 KF C72-300），并已在近期发布的中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上成功运行。

量子计算是一种利用量子原理进行信息处理的新型计算方式，它可以在极短的时间内完成传统计算机无法解决的复杂问题，被认为是未来计算技术的革命性突破。 

“悟空芯”封装盒

据介绍，“悟空芯”拥有72个超导量子比特，取名来源于孙悟空的“72变”，寓意其强大的计算能力及潜力，搭载该款量子芯片的量子计算机是目前中国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。同时，“本源悟空”匹配了本源第三代量子计算测控系统“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。

“悟空芯”是本源量子自主研发的夸父系列量子芯片，属于第三代产品。与前两代量子芯片相比，第三代夸父超导量子芯片具有更高的相干时间，性能上有显著提升。2020年，第一代夸父6比特超导量子芯片KFC6-130研制成功；2021年，第二代夸父24比特超导量子芯片KFC24-100研制成功。

具体来说，“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，共有198个量子比特，其实际运行状态下的比特弛豫时间T1≥15.3μs，退相干时间 T2≥2.25μs。而基于该款量子芯片的“本源悟空”量子计算机可一次性下发、执行多达200个量子线路的计算任务，从而比只能同时下发、执行单个量子线路的国际同类量子计算机具有更大的速度优势。

“悟空芯”放大模型

量子计算芯片安徽省重点实验室副主任贾志龙博士介绍，“悟空芯”以及“本源悟空”量子计算机的发布，是中国超导量子计算机制造的一张新“入场券”，意味着中国超导量子计算机制造能力从小规模开始进入中等规模阶段，具备了自主生产一定中等规模的可扩展的量子计算机芯片和系统的能力。

全球角逐

何谓量子计算机？形象地说，“在量子计算机面前，传统的计算机就像‘算盘’”。超导量子计算机，则是基于超导电路量子芯片的量子计算机。

· 2019年，来自谷歌的量子人工智能研究团队就研制出具有53个超导量子比特的量子计算机，并且展现出强大的运算能力。在针对某个特定复杂计算任务的求解上，该款超导量子计算机只需要200秒就可以成功完成任务，而如果采用当年世界上排名第一的超级计算机进行计算，则需要长达一万年才能实现。

· 2021年，中国超导量子计算机“祖冲之二号”上线。该款超导量子计算机的量子比特数目达到66个，并且在运算速度方面比2019年谷歌发布的系统快接近一万倍。

· 2023年，IBM的433位超导量子比特处理器Osprey在其云平台上线；中科大扩展超导量子处理器“祖冲之二号”可操纵量子比特至176位；苏黎世联邦理工基于超导量子电路完成无漏洞贝尔实验……

至2023年10月，全球29个国家和地区制定和发布了量子信息领域的发展战略规划或法案，公开信息不完全统计投资总额超过280亿美元。业内预测，2023-2027年，全球量子计算市场的投资将以11.5%的复合年增长率保持增长，到2027年底，量子市场的投资将增长到164亿美元。

量子计算是一个全球性的竞争领域，各国都在积极投入和探索，“本源悟空”的上线将为中国在全球量子计算竞争中取得更好的地位，但也要清醒看到和世界量子计算强国间尚有不小差距。

超导量子芯片的稳定性和长期保存量子信息的能力是实现量子计算机商用的关键。目前，超导量子计算机的规模较小，处理复杂问题的能力有限，为了实现商业化应用，需要进一步扩展量子芯片的规模，提高量子比特的数目和相干时间等性能指标。另外，随着量子芯片规模的扩大，量子计算机的能耗和散热问题将更加突出，需要开发高效的能源利用和散热技术来解决。