自主可控再下一城!首套国产ARTIQ架构量子计算测控系统发布

启科量子在离子阱量子计算机工程化研发上取得重大技术进展,发布了国内首套具有自主知识产权的ARTIQ架构量子测控系统(QuSoil)。第一批开放市场定制的产品包括:“逻辑门指令编译模块”、“FPGA中央处理模块”、“下位功能组件”(“数字脉冲I/O模块”和“数字频率合成模块”)。这些模块已经完成与AbaQ(天算一号)百比特离子阱量子计算机的集成整合,势必将大大加快启科量子分布式离子阱量子计算机的工程化及商业化进程。启科量子同时宣布,“数字模拟转换模块”、“模拟数字转换模块”、“任意波形发生模块”、“微波信号发生模块”、“射频功率放大模块”、“芯片阱接口模块”等组件也进入了工程定型阶段,将于年底开放市场定制。

ARTIQ系统最初是由NIST(美国国家标准研究院)的IonStorage研究组开发的,该研究组由著名原子物理学家、2012年诺贝尔物理学奖得主DaveWineland领导。他在原子物理研究中的一系列科学成就包括:利用离子阱精确地测量了电子自旋g因子(1989年诺贝尔奖)、第一次实现了激光多普勒冷却、利用离子阱实现了第一个CNOT逻辑门。利用ARTIQ架构,NIST的量子物理研究组不仅控制着世界上最准确的原子钟,也保持了世界上具有最高量子体积(QuantumVolume)100万的量子计算机的运行。

作为打破摩尔定律、实现算力指数级增长的新兴技术,量子计算正成为全球主要国家角逐的焦点。量子比特是量子计算机的基本信息单元,而经典光电控制系统是一种连接现实经典信息系统和量子比特系统的界面,量子比特则工作在经典光电控制系统的后端,双方关系如同航空发动机与飞行控制系统,后者指引着前者的方向,并保驾护航。以光电测控为核心的量子测控系统是量子计算机的核心器件之一,是量子计算处理器稳定运行的重要保障。

为此,启科量子通过此次发布ARTIQ系统提出了通用量子计算机测控系统的五个基本标准(五大挑战):

一是能够以极其精确的时序接收和生成至少百量级的数字和模拟信号,并确保相位相干;

二是能够以非常低的反应延迟完成量子纠错方案中的测量和控制;

三是能够处理结构复杂的量子逻辑门协议,实现通用量子算法;

四是能够满足灵活部署且可编程的需求,适应不断改进的实验硬件;

五是能够满足硬件、驱动程序和数据分析软件的多样性诉求,以适应分布式和多平台环境。

为了应对这五大挑战,研发高效、稳定、易控、可靠的量子计算测控系统是必然选择。目前量子测控系统呈现多流派并行发展的局面,包括离子阱、中性原子、超导、半导体等。但大部分测控系统只能应用单一技术,无法实现“跨界”研发,这显然将拉长科研时间、增加成本投入,因此研发通用平台构架是业界关注的焦点之一。ARTIQ测控系统则是目前唯一有望建立通用平台构架的体系。

ARTIQ以开源的方式作为解决方案提供给全球研究界,目前在GitHub上由M-Labs、QUARTIQ、NIST等组织进行维护。世界各地的100多个实验室都采用了ARTIQ作为他们的控制系统。ARTIQ测控系统不仅用于离子阱、里德堡原子等原子型量子计算机,也迅速地扩展到超导量子、硅基量子点等量子计算机体系,以及冷原子量子陀螺、重力梯度仪、量子磁力仪等量子传感系统。业界普遍认为ARTIQ架构将成为集通信、计算、传感为一体的下一代量子网络基本物理测控系统的重要候选者。但是目前ARTIQ硬件的市场供应由M-Labs和QUARTIQ垄断,国内企业在相关知识产权和著作权方面还是空白。未来如果量子计算的国际协作产生不确定性,将会严重阻碍国内机构利用ARTIQ架构发展量子测控系统。

2017年,启科量子首席科学家、中山大学罗乐教授发起和组织了第一届亚太地区囚禁量子系统会议,提出以ARTIQ开源架构为基础,发展具有完全自主知识产权的国产量子测控系统。该会议曾邀请了M-Labs首席执行官SebastienBourdeauducq对ARTIQ架构进行了深入介绍。此后中山大学、清华大学、中国科学技术大学、中国科学院精密测量院、南方科技大学、国防科技大学、北航仪器等单位纷纷采用了ARTIQ架构作为量子测控系统。

QuSoil又叫做量子土壤,是由启科量子研制的ARTIQ架构量子测控系统,启科量子将它首先应用于正在研发的AbaQ百比特离子阱通用量子计算机,它将连接启科研发的QuRoot(量子根茎:通用量子服务驱动库)与离子阱量子计算机中的所有光电设备。而建立这一系统的目的,是为了打破国外公司的垄断,研发出一套中国自主知识产权的量子测控系统。简单来说,QuSoil与ARTIQ架构的关系就好比银河麒麟与Linux操作系统。

QuSoil的设计具有高度可移植性、多系统兼容性和升级扩展性,保证了系统运行于非实时设备时的稳定性。QuSoil的人机交互界面提供了图形用户界面、实验调度系统以及用于实验、设备、参数和结果的数据库,涉及的技术有Python、Migen、MiSoC/mor1kx、LLVM和Llvmlite。此次发布的逻辑门指令编译模块、FPGA中央处理模块以及下位功能组件三大测控模块,在实现交互协作的同时,确保了“各司其职”,打造高可靠、高效率、高速率的测控系统。同时,QuSoil也具有极高的性价比,同等技术参数硬件的预估售价相较于国外公司将大大降低。

如果说离子阱芯片是量子计算机的“大脑”,那么QuSoil就是量子计算机的“神经”,而对于过去以及如今的量子计算机研发来说,芯片与测控系统主要还是美国居于领先地位,而这就相当于将自己的“大脑”与“神经”交给他人,而这无疑是件非常要命的事情,所以QuSoil在启科量子的研发过程中肩负着无比重要的使命。由启科量子和中山大学联合攻关的QuSoil系统,可满足自身、高校、科研机构对量子计算的研发需求,标志着国内企业已经掌握了基于ARTIQ架构的量子测控核心知识产权,填补了国内ARTIQ测控系统的技术和产品空白。QuSoil系统为我国自主可控的量子计算机测控系统打了一针“强心剂”,极大提升了中国量子企业在国际市场竞争中的话语权。启科QuSoil测控系统的商业化推广,将大大促进国内相关领域的量子技术研发,特别对国防军事和国家安全领域的量子测控技术需求有重大战略意义。

目前,QuSoil测控系统包含逻辑门指令编译模块、FPGA中央处理模块以及下位功能组件三大模块,下图为QuSoil系统架构框图。

逻辑门指令编译模块是ARTIQ测控系统的主控中心,相当于测控系统的大脑。测控系统能否有序、高效地运行,完全取决于逻辑门指令编译是否合理、精准。逻辑门指令编译模块的作用不仅包含对量子计算机底层硬件的控制,还能与应用算法层对接,因此逻辑门指令编译模块能同时满足不同操作对象的使用需求。量子实验员的需求点是能够对底层硬件的信号、时序进行灵活配置以满足其对实验诉求;而量子程序员对硬件的底层逻辑不感兴趣,需要提前配置好底层硬件参数,直接通过专用API进行调用。

对逻辑门指令编译模块的完全自主可控研发,使得启科量子可以根据用户的需求进行定制化设计及配置。同时,启科量子已实现逻辑门指令编译模块底层硬件参数的迭代优化,保障了不断演进的硬件功能诉求得以持续支持。

FPGA中央处理模块是逻辑门指令编译模块以及下位功能组件的桥梁,其主要功能是读取逻辑门指令编译模块传递的硬件时序信号并进行识别处理,而后根据时序的严格处理要求,在特定的时刻控制数个功能板卡进行电信号输出。FPGA中央处理模块支持DRTIO(DistributedRealTimeInput/Output)协议,该协议保证了逻辑门指令编译模块之间ns(纳秒)级的同步精度,让多个FPGA中央处理模块联合工作以及下位功能组件根据需求随意增减成为可能。这正是启科量子选择FPGA作为测控系统硬件指挥中心的一大原因。

在实际应用中,FPGA中央处理模块可以为研发型客户提供更多的选择,如具有特殊功能的下位功能板卡开发,客户可通过与启科量子合作,将该板卡定制化融入实验控制系统中。

模块三:下位功能组件“数字脉冲I/O模块”和“数字频率合成模块”

下位功能组件的主要功能是接受FPGA中央处理模块的控制指令,并输出特定种类的电信号。作为测控系统的最底层硬件,不同应用领域要求测控系统具备不同的功能,在离子阱量子计算机中需要实现的功能有“数字脉冲I/O模块”(TTL)、“数字频率合成模块”(DDS)、“模拟数字转换模块”(ADC)、“数字模拟转换模块”(DAC)、GHz级别微波源模块、“任意波形发生模块”(AWG)、“射频功率放大模块”、“芯片阱接口模块”等几类。

本次发布的下位功能组件中,DDS在离子阱量子计算机中起着举足轻重的作用,其信号质量将直接影响量子逻辑门操作能否实现。TTL板卡的主要作用是实现快速通断操作,方便实验员在短时间内进行成千上万次实验。同时,量子比特相干时间有限,需要在较短的时间内快速完成所有逻辑门操作,因此实现快速通断操作的TTL是不可或缺的。此外,TTL可以作为输入端口,用于探测量子比特的状态。

未来,通过将下位功能组件进行板卡化、集成化,启科量子将陆续发布ADC、DAC、微波源、AWG等硬件。下位功能组件的日趋健全,将为启科量子分布式离子阱量子计算机的研发打造坚实基础。

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