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量子計算大戰正酣，中國提前布局這一關鍵領域

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量子計算大戰正酣，中國提前布局這一關鍵領域

量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置 。 廣義上 ， 當某個裝置處理和計算的是量子信息 ， 運行的是量子算法時 ， 就可稱之為量子計算機 。
01量子計算機大戰正酣
2019 年 ， 美國谷歌公司研制出 53 個量子比特的計算機 “懸鈴木” ， 在全球首次實現量子優越性 ， 開啟了量子計算的新時代 。 2024 年底 ， 谷歌亮出新一代 Willow 芯片 ， 展現出強大的計算能力 ， 5 分鐘就能搞定傳統計算機需 10 的 25 次方年才能算完的題目 。
【量子計算大戰正酣，中國提前布局這一關鍵領域】2025 年 ， 微軟發布了全球首款基于拓撲量子比特架構的量子計算芯片 Majorana 1 。 該芯片采用半導體砷化銦與超導體鋁合成的拓撲導體材料 ， 通過操控馬約拉納粒子實現高穩定性量子位運算 。 作為微軟近 20 年拓撲量子研究的核心成果 ， Majorana 1 首次驗證了單芯片擴展至百萬量子位的技術可行性 ， 被應用于數學問題驗證與原型機開發 ， 有望推動材料科學、人工智能等領域取得重大突破 。
在國際上 ， 其他國家也在積極推進量子計算的發展 。
2025 年 3 月 ， 芬蘭國家技術研究中心和 IQM 量子計算機公司推出歐洲首臺 50 量子比特超導量子計算機 。 芬蘭于 2020 年 11 月首次公布其在量子計算領域的發展計劃 ， 政府共撥款 2070 萬歐元用于開發 50 量子比特量子計算機 。 該計劃分三個階段 ， 2021 年研發出 5 量子比特量子計算機 ， 2023 年研發出 20 量子比特量子計算機 ， 50 量子比特量子計算機的推出標志著第三階段完成 。
此外 ， 加拿大 Xanadu 量子技術公司開發出全球首臺可擴展光量子計算機原型 ， 研究人員采用了模塊化設計理念來構建這臺量子計算機 ， 初始階段構建一個包含少量量子位的基本單元 ， 適用于最基礎的應用場景 ， 隨著需求增長 ， 可以通過添加更多相同類型的單元來擴展計算能力 ， 這些單元通過網絡協同工作 ， 共同構成一臺大型計算機 ， 每個新增的單元或量子服務器機架都會增加整體處理能力 ， 由于整個系統基于光子技術 ， 因此無需將光子組件與傳統電子組件結合使用 。
在國內 ， 2020年 ， 潘建偉團隊構建 76 個光子的量子計算原型機 “九章” ， 使中國成為全球第二個實現量子優越性的國家 ， 在量子計算領域占據了重要一席之地 。 2021 年 ， 潘建偉團隊再接再厲 ， 成功研制含 113 個光子的 “九章二號” 和 66 比特的 “祖沖之二號” 量子計算原型機 ， 讓中國成為在光學和超導兩條技術路線上都實現量子優越性的國家 ， 進一步鞏固了中國在量子計算領域的領先地位 。 2023 年 10 月 11 日 ， 量子計算原型機 “九章三號” 成功構建 ， 其計算能力令人驚嘆 ， 1 微秒可算出的最復雜樣本 ， 當前全球最快的超級計算機約需 200 億年才能完成 。 2025 年 3 月 21 日 ， 潘建偉院士團隊正式發布光子量子計算機 “九章 4 號” ， 實現了 3000 個光子協同操控 ， 單比特誤差率僅 0.001% ， 處理高斯玻色取樣任務的速度比超級計算機快 10^32 倍 ， 再次刷新了量子計算的速度紀錄 。
本源量子計算科技（合肥）股份有限公司于2024年1月6日上線運行了我國第三代自主超導量子計算機“本源悟空” 。 該量子計算機搭載72位自主超導量子芯片“悟空芯” ， 是目前先進的可編程、可交付超導量子計算機 。 科研人員介紹 ， 超導量子計算機是基于超導電路量子芯片的量子計算機 ， 國際上 ， IBM與谷歌量子計算機均采用超導技術路線 。 “本源悟空”匹配了本源第三代量子計算測控系統“本源天機” ， 真正落地了量子芯片的批量自動化測試 ， 大大提升了量子計算機的整機運行效率 。 其搭載的72位超導量子芯片“悟空芯” ， 共有198個量子比特 ， 其中包含72個工作量子比特和126個耦合器量子比特 。 截至今年6月4日 ， “本源悟空”已為143個國家和地區的用戶完成超50萬個量子計算任務 ， 全球訪問量突破2900萬次 ， 刷新中國自主量子算力服務規模紀錄 ， 成為全球量子計算領域的重要參與者 。 2025年6月 ， 我國首條量子芯片生產線在合肥正式啟用 ， 年產能達1000片 ， 標志著量子計算技術從實驗室邁向產業化 。 該生產線由本源量子建設 ， 實現設計、流片到封裝測試全流程國產化 ， 關鍵設備國產化率超90% ， 突破歐美技術壟斷 。
中電信量子信息科技集團有限公司于2024年12月正式發布全國單臺比特數最多的超導量子計算機 “天衍 504” ， 標志著其具備了全球領先的量子計算機制造和交付能力 。 2023 年 11 月 ， 中國電信發布了全球首個具備量子優越性能力的超量融合云平臺 ——“天衍” 量子計算云平臺 ， 通過 “天翼云” 超算算力和 176 個超導量子比特算力的融合 ， 為各類用戶提供便捷簡單的量子計算服務 。 2024 年 4 月 ， 504 比特超導量子計算芯片 “驍鴻” 交付 。 基于 “驍鴻” 芯片 ， 中電信量子集團和科大國盾量子技術股份有限公司聯合研發出國內單臺比特數最多的超導量子計算機 “天衍 504” ， 并通過 “天衍” 量子計算云平臺向全球開放 。 該平臺由一臺 24 比特、兩臺 176 比特和一臺 504 比特量子計算機組成國內最大的量子計算集群 ， 并提供 5 類運算性能世界一流的高性能仿真機和 Cqlib 量子編程框架 ， 實現了算力規模和算力類型的雙重升級 。
02量子計算機大規模應用前夜 ， 這是關鍵
盡管量子計算取得了顯著進展 ， 但要研制成功真正的通用量子計算機還有很長的路要走 ， 國際主流觀點認為 ， 這至少還需要 5 年到 10 年的時間 。 IBM 在 2019 年提出刻畫量子芯片性能的 “量子摩爾定律” ， 即量子芯片的量子體積每年至少增加一倍 。 隨著量子比特數的指數性增長 ， 對于量子電子設計自動化的需求也越來越大 ， 而 Q-EDA 工具可以有效提升量子芯片研發的效率 。
2021 年 3 月 ， IBM 推出了 Qiskit Metal ， 一款基于 Python 用于超導量子芯片的開源電子設計自動化（EDA）軟件 。 2021 年 6 月 ， 芬蘭量子硬件初創公司 IQM 公布了其開源軟件工具 KQCircuits ， 用于超導量子芯片版圖的自動化設計 ， 通過該工具可以對芯片版圖進行一定程度的檢查優化 ， 減少微納加工的成本 。 2022 年 3 月 ， 百度量子計算研究所在國際頂會 QIP2022 上介紹了其在量子芯片自動化設計工具方面的研發進展 ， 支持 2D 與 3D 超導量子芯片的自動化設計和仿真 ， 給定設計任務 ， 能夠生成量子芯片的版圖以及微納加工所需的 gds 文件 ， 并對量子芯片性能進行仿真 ， 整個設計和仿真過程均可自動化地進行 ， 大大提升了量子芯片研發的效率 。 如今全球各大頂級高科技公司和高校正逐步投入研究力量開展 QEDA 工具的研發 ， 積極布局未來量子芯片市場 ， 以期在未來量子優勢的競爭中搶占先機 。
03提前布局Q-EDA ， 把握下一世代機遇
與傳統 EDA 自上而下規范化的集成電路設計檢驗流程相比 ， 目前業界典型的量子芯片設計非常類似于早期的 CAD 計算機輔助設計 ， 過度依賴實驗經驗 ， 量子芯片的設計與研發相對隨意 ， 設計人員需要在多個不同的軟件之間輾轉 ， 手動完成量子芯片設計、布線等工作 ， 此方法在研發小規模量子芯片時勉強夠用 ， 但隨著量子比特數目的增加 ， 利用人工設計成千上萬乃至百萬量子比特構成的量子芯片顯然是不現實的 ， 因此 ， 量子電子設計自動化工具的研發勢在必行 。
芯片設計高度依賴EDA軟件 ， 如果說光刻機是“芯片之父” ， 負責將芯片設計付諸物理實現 ， 那么EDA便是“芯片之母” 。 在量子計算時代 ， Q-EDA作為量子芯片設計的核心工具 ， 其自主化研發已成為突破技術封鎖、搶占產業先機的關鍵 。
但當前在傳統芯片 EDA 領域 ， 我國由于起步晚 ， 一直處于追趕地位 ， 如今量子計算機時代 ， 急需提前布局把握機遇 。 芯片設計離不開 EDA 設計軟件 ， 為使國內的量子科技公司在與外國科技巨頭競爭中不再落后 ， 避免在量子計算機時代再像傳統芯片 EDA 那樣受制于人 ， 2022 年初 ， 本源量子發布國內首個量子芯片設計工業軟件 “Q-EDA” 本源坤元 ， 它能同時支持超導和半導體量子芯片自動化設計 ， 是高效進行大規模量子芯片工程設計的必要工具 。
近日 ， 安徽省量子計算芯片重點實驗室發布消息 ， 國產量子芯片設計工業軟件Q-EDA“本源坤元”完成第5次技術迭代 。 此次迭代成功突破大規模量子芯片設計技術瓶頸 ， 為我國量子芯片自主研發及產業化進程注入新動能 。
“本源坤元” 由本源科儀 (成都) 科技有限公司完全自主研發 ， 自 2022 年首次發布并填補國內空白以來 ， “本源坤元” 圍繞 “大規模、高精度、自動化” 目標 ， 已穩步完成 5 次迭代升級 。 以 72 比特量子芯片設計為例 ， 此次迭代后的 “本源坤元” 在工藝設計套件的支持下 ， 已實現自動化一站式快速版圖生成 ， 僅需 6 分 50 秒即可完成 72 比特芯片的完整版圖繪制 。
設計量子芯片就像建造房屋 ， 既要精心規劃空間布局 (量子芯片結構設計) ， 又要優化關鍵的 “水電布線”(量子比特連接) 。 本源科儀 (成都) 科技有限公司總經理李舒嘯介紹 ， “本源坤元” 第 5 版核心突破在于布線靈活性的全面升級 ， 創新實現了空間極限場景下的全自動布線功能 ， 并靈活提供多種半自動修線工具 ， 且兼顧了設計效率與操作自由度 。 安徽省量子計算芯片重點實驗室主任郭國平表示 ， 此次軟件升級進一步突破了大規模量子芯片設計的技術瓶頸 ， 成功實現千萬級網格量的建模和量子芯片參數數值計算 ， 有力增強了我國在量子計算核心環節的競爭力 。
在量子計算這場激烈的全球競爭中 ， 中國通過在量子計算機研發和 Q-EDA 工具布局等關鍵領域的提前規劃和持續投入 ， 正逐步在量子計算領域占據領先地位 ， 為未來在量子科技時代的發展奠定了堅實基礎 。 隨著技術的不斷進步和產業化的推進 ， 中國有望在量子計算領域實現更大的突破 ， 引領全球量子科技的發展潮流 。
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