啟科量子發(fā)布首套國產ARTIQ架構量子計算測控系統(tǒng)

3月28日，啟科量子宣布在離子阱量子計算機工程化研發(fā)上取得重大技術進展，發(fā)布了國內首套具有自主知識產權的ARTIQ架構量子測控系統(tǒng)(QuSoil)。

第一批開放市場定制的產品包括：“邏輯門指令編譯模塊”、“FPGA中央處理模塊”、“下位功能組件”(“數字脈沖I/O模塊”和“數字頻率合成模塊”)。這些模塊已經完成與AbaQ(天算一號)百比特離子阱量子計算機的集成整合，勢必將大大加快啟科量子分布式離子阱量子計算機的工程化及商業(yè)化進程。

啟科量子同時宣布，“數字模擬轉換模塊”、“模擬數字轉換模塊”、“任意波形發(fā)生模塊”、“微波信號發(fā)生模塊”、“射頻功率放大模塊”、“芯片阱接口模塊”等組件也進入了工程定型階段，將于年底開放市場定制。

作為打破摩爾定律、實現算力指數級增長的新興技術，量子計算正成為全球主要國家角逐的焦點。量子比特是量子計算機的基本信息單元，而經典光電控制系統(tǒng)是一種連接現實經典信息系統(tǒng)和量子比特系統(tǒng)的界面，量子比特則工作在經典光電控制系統(tǒng)的后端，雙方關系如同航空發(fā)動機與飛行控制系統(tǒng)，后者指引著前者的方向，并保駕護航。以光電測控為核心的量子測控系統(tǒng)是量子計算機的核心器件之一，是量子計算處理器穩(wěn)定運行的重要保障。

在實現量子測控系統(tǒng)的諸多方案中，ARTIQ (Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics，量子物理學高級實時基礎設施)脫穎而出，它可以用于量子信息實驗的尖端控制和數據采集系統(tǒng)。ARTIQ架構是目前全球最先進且使用最廣泛的量子測控系統(tǒng)，已被部署在杜克、馬里蘭、MIT、牛津、哈佛等著名大學及量子物理研究機構的實驗室中，同時也被美國Sandia國家實驗室作為量子測控系統(tǒng)的基本架構。

ARTIQ系統(tǒng)最初是由NIST(美國國家標準與技術研究院)Ion Storage(離子存儲)研究組開發(fā)的，該研究組由著名原子物理學家、2012年諾貝爾物理學獎得主Dave Wineland領導。他在原子物理研究中的一系列科學成就包括：利用離子阱精確地測量了電子自旋g因子(諾貝爾獎)、第一次實現了激光多普勒冷卻、利用離子阱實現了第一個CNOT邏輯門。利用ARTIQ架構，NIST的量子物理研究組不僅控制著世界上最準確的原子鐘，也保持了世界上具有最高量子體積(Quantum Volume)(>100萬)的量子計算機的運行。

啟科量子通過此次發(fā)布ARTIQ系統(tǒng)提出了通用量子計算機測控系統(tǒng)的五個基本標準(即五大挑戰(zhàn))：

● 能夠以極其精確的時序接收和生成至少百量級的數字和模擬信號，并確保相位相干；

● 能夠以非常低的反應延遲完成量子糾錯方案中的測量和控制；

● 能夠處理結構復雜的量子邏輯門協議，實現通用量子算法；

● 能夠滿足靈活部署且可編程的需求，適應不斷改進的實驗硬件；

● 能夠滿足硬件、驅動程序和數據分析軟件的多樣性訴求，以適應分布式和多平臺環(huán)境。

為了應對這五大挑戰(zhàn)，研發(fā)高效、穩(wěn)定、易控、可靠的量子計算測控系統(tǒng)是必然選擇。目前量子測控系統(tǒng)呈現多流派并行發(fā)展的局面，包括離子阱、中性原子、超導、半導體等。但大部分測控系統(tǒng)只能應用單一技術，無法實現“跨界”研發(fā)，這顯然將拉長科研時間、增加成本投入，因此研發(fā)通用平臺構架是業(yè)界關注的焦點之一。ARTIQ測控系統(tǒng)則是目前唯一有望建立通用平臺構架的體系。

ARTIQ以開源的方式作為解決方案提供給全球研究界，目前在GitHub上由M-Labs、QUARTIQ、NIST等組織進行維護。世界各地的100多個實驗室都采用了ARTIQ作為他們的控制系統(tǒng)。ARTIQ測控系統(tǒng)不僅用于離子阱、里德堡原子等原子型量子計算機，也迅速地擴展到超導量子、硅基量子點等量子計算機體系，以及冷原子量子陀螺、重力梯度儀、量子磁力儀等量子傳感系統(tǒng)。

業(yè)界普遍認為ARTIQ架構將成為集通信、計算、傳感為一體的下一代量子網絡基本物理測控系統(tǒng)的重要候選者。但是目前ARTIQ硬件的市場供應由M-Labs和QUARTIQ壟斷，國內企業(yè)在相關知識產權和著作權方面還是空白。未來如果量子計算的國際協作產生不確定性，將會嚴重阻礙國內機構利用ARTIQ架構發(fā)展量子測控系統(tǒng)。

2017年，啟科量子首席科學家、中山大學羅樂教授發(fā)起和組織了第一屆亞太地區(qū)囚禁量子系統(tǒng)會議，提出以ARTIQ開源架構為基礎，發(fā)展具有完全自主知識產權的國產量子測控系統(tǒng)。該會議曾邀請了M-Labs首席執(zhí)行官Sebastien Bourdeauducq對ARTIQ架構進行了深入介紹。此后中山大學、清華大學、中國科學技術大學、中國科學院精密測量院、南方科技大學、國防科技大學、北航儀器等單位紛紛采用了ARTIQ架構作為量子測控系統(tǒng)。

QuSoil又叫做量子土壤，是由啟科量子研制的ARTIQ架構量子測控系統(tǒng)，啟科量子將它首先應用于正在研發(fā)的AbaQ百比特離子阱通用量子計算機，它將連接啟科研發(fā)的QuRoot(量子根莖：通用量子服務驅動庫)與離子阱量子計算機中的所有光電設備。而建立這一系統(tǒng)的目的，是為了打破國外公司的壟斷，研發(fā)出一套中國自主知識產權的量子測控系統(tǒng)。簡單來說，QuSoil與ARTIQ架構的關系就好比銀河麒麟與Linux操作系統(tǒng)。

QuSoil的設計具有高度可移植性、多系統(tǒng)兼容性和升級擴展性，保證了系統(tǒng)運行于非實時設備時的穩(wěn)定性。QuSoil的人機交互界面提供了圖形用戶界面、實驗調度系統(tǒng)以及用于實驗、設備、參數和結果的數據庫，涉及的技術有Python、Migen、MiSoC/mor1kx、LLVM 和 Llvmlite。此次發(fā)布的邏輯門指令編譯模塊、FPGA中央處理模塊以及下位功能組件三大測控模塊，在實現交互協作的同時，確保了“各司其職”，打造高可靠、高效率、高速率的測控系統(tǒng)。同時，QuSoil也具有極高的性價比，同等技術參數硬件的預估售價相較于國外公司將大大降低。

如果說離子阱芯片是量子計算機的“大腦”，那么QuSoil就是量子計算機的“神經”，而對于過去以及如今的量子計算機研發(fā)來說，芯片與測控系統(tǒng)主要還是美國居于領先地位，而這就相當于將自己的“大腦”與“神經”交給他人，而這無疑是件非常要命的事情，所以QuSoil在啟科量子的研發(fā)過程中肩負著無比重要的使命。

由啟科量子和中山大學聯合攻關的QuSoil系統(tǒng)，可滿足自身、高校、科研機構對量子計算的研發(fā)需求，標志著國內企業(yè)已經掌握了基于ARTIQ架構的量子測控核心知識產權，填補了國內ARTIQ測控系統(tǒng)的技術和產品空白。QuSoil系統(tǒng)為我國自主可控的量子計算機測控系統(tǒng)打了一針“強心劑”，極大提升了中國量子企業(yè)在國際市場競爭中的話語權。啟科QuSoil測控系統(tǒng)的商業(yè)化推廣，將大大促進國內相關領域的量子技術研發(fā)，特別對國防軍事和國家安全領域的量子測控技術需求有重大戰(zhàn)略意義。

目前，QuSoil測控系統(tǒng)包含邏輯門指令編譯模塊、FPGA中央處理模塊以及下位功能組件三大模塊，下圖為QuSoil系統(tǒng)架構框圖。

QuSoil系統(tǒng)架構框圖

模塊一：邏輯門指令編譯模塊

邏輯門指令編譯模塊是ARTIQ測控系統(tǒng)的主控中心，相當于測控系統(tǒng)的大腦。測控系統(tǒng)能否有序、高效地運行，完全取決于邏輯門指令編譯是否合理、精準。邏輯門指令編譯模塊的作用不僅包含對量子計算機底層硬件的控制，還能與應用算法層對接，因此邏輯門指令編譯模塊能同時滿足不同操作對象的使用需求。量子實驗員的需求點是能夠對底層硬件的信號、時序進行靈活配置以滿足其對實驗訴求；而量子程序員對硬件的底層邏輯不感興趣，需要提前配置好底層硬件參數，直接通過專用API進行調用。

對邏輯門指令編譯模塊的完全自主可控研發(fā)，使得啟科量子可以根據用戶的需求進行定制化設計及配置。同時，啟科量子已實現邏輯門指令編譯模塊底層硬件參數的迭代優(yōu)化，保障了不斷演進的硬件功能訴求得以持續(xù)支持。

模塊二：FPGA中央處理模塊

FPGA中央處理模塊是邏輯門指令編譯模塊以及下位功能組件的橋梁，其主要功能是讀取邏輯門指令編譯模塊傳遞的硬件時序信號并進行識別處理，而后根據時序的嚴格處理要求，在特定的時刻控制數個功能板卡進行電信號輸出。FPGA中央處理模塊支持DRTIO(Distributed Real Time Input/Output，分布式實時輸入/輸出)協議，該協議保證了邏輯門指令編譯模塊之間ns(納秒)級的同步精度，讓多個FPGA中央處理模塊聯合工作以及下位功能組件根據需求隨意增減成為可能。這正是啟科量子選擇FPGA作為測控系統(tǒng)硬件指揮中心的一大原因。

在實際應用中，FPGA中央處理模塊可以為研發(fā)型客戶提供更多的選擇，如具有特殊功能的下位功能板卡開發(fā)，客戶可通過與啟科量子合作，將該板卡定制化融入實驗控制系統(tǒng)中。

模塊三：下位功能組件“數字脈沖I/O模塊”和“數字頻率合成模塊”

下位功能組件的主要功能是接受FPGA中央處理模塊的控制指令，并輸出特定種類的電信號。作為測控系統(tǒng)的最底層硬件，不同應用領域要求測控系統(tǒng)具備不同的功能，在離子阱量子計算機中需要實現的功能有“數字脈沖I/O模塊”(TTL)、“數字頻率合成模塊”(DDS)、“模擬數字轉換模塊”(ADC)、“數字模擬轉換模塊”(DAC)、GHz級別微波源模塊、“任意波形發(fā)生模塊”(AWG)、“射頻功率放大模塊”、“芯片阱接口模塊”等幾類。

本次發(fā)布的下位功能組件中，DDS在離子阱量子計算機中起著舉足輕重的作用，其信號質量將直接影響量子邏輯門操作能否實現。TTL板卡的主要作用是實現快速通斷操作，方便實驗員在短時間內進行成千上萬次實驗。同時，量子比特相干時間有限，需要在較短的時間內快速完成所有邏輯門操作，因此實現快速通斷操作的TTL是不可或缺的。此外，TTL可以作為輸入端口，用于探測量子比特的狀態(tài)。

未來，通過將下位功能組件進行板卡化、集成化，啟科量子將陸續(xù)發(fā)布ADC、DAC、微波源、AWG等硬件。下位功能組件的日趨健全，將為啟科量子分布式離子阱量子計算機的研發(fā)打造堅實基礎。