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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

量子创投界

2022-03-29

导读：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)。

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

ARTIQ（Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics-量子物理学高级实时基础设施）是一个用于量子信息实验的前沿控制系统。它是与NIST（National Institute of Standards and Technology-美国标准技术研究院）的离子存储小组合作发起和开发的，现在被全世界越来越多的研究机构使用和支持。虽然ARTIQ目前主要由原子物理学小组使用，但其适用性已超出了离子阱的范围。该软件实现了对离子阱中的量子信息系统的实时实验控制。

ARTIQ是NIST与私营部门合作，为量子信息系统开发的下一代开源控制软件。NIST 是量子信息研究领域的世界领导者，利用量子力学的奇怪特性(自然界的原子、光子和其他微观系统的说明书)来极大地提高计算能力，制造安全的通信系统，并影响许多其他应用。为了促进量子信息研究和产品/应用，ARTIQ软件使得只需几行易于理解的代码就可以轻松地发出非常复杂的命令，同时保留了这些复杂实验和应用所需的精致的计时控制。

现代量子信息系统的研究对控制系统提出了特别的挑战。

01 几十种信号需要以极其精确的时间来接收和产生，特别是要确保相位一致性

02 量子纠错方案需要非常低的反应潜伏期响应测量

03 量子门的现实世界的实现，尤其是fortiori量子算法，涉及结构上的复杂协议

04 不断改进的实验技术促使人们需要一个灵活和可编程的系统

05 单个实验中涉及的设备、设备驱动和数据分析软件的多样性导致了分布式和多平台环境的出现

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。

启科量子的ARTIQ

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。

启科量子

国开启科量子技术（北京）有限公司，简称启科量子，专注于量子通信设备制造与量子计算机全栈式开发，依托技术团队在量子信息技术领域二十年的优势技术积累与丰富产品经验，成为国内首家兼具量子计算、量子通信核心技术储备与产品研发能力的科技创新型企业，未来将设计并构建新一代量子互联网。

在量子通信领域，启科量子利用两大量子通信硬件优势：QKD与量子随机数，结合十余款应用产品，公司已经具备提供城域级的量子安全云服务能力。

在量子计算领域，启科量子在2020年启动了分布式离子阱量子计算机的研发，对离子阱芯片、精密激光系统、量子比特光电测控系统、高速电子时序与控制系统、量子编程语言、量子云、量子算法库、量子应用等各系统研发也在持续进行中，2021年已经推出中国第一台离子阱量子计算机工程机AbaQ-1，为计划于2023年完成的量子体积可达到一亿以上的百比特分布式离子阱量子计算机奠定了坚实基础，在量子计算应用方面已与国内保险、证券、新药研发，加解密等领域的头部企业建立合作关系，实现行业应用深度捆绑，构建市场生态。