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大國(guó)，要有大算力——記民革安徽省委會(huì)副主委、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任郭國(guó)平     楊夏    2023年07月25日16:27

【人物名片】

郭國(guó)平，第十四屆全國(guó)人大代表，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，民革安徽省委會(huì)副主委。

量子計(jì)算能做什么？大多數(shù)人并不了解。

在一些特定問(wèn)題上，量子計(jì)算機(jī)已被證明可以擁有超強(qiáng)算力。

如果說(shuō)普通計(jì)算機(jī)相當(dāng)于一把“算盤”，那么量子計(jì)算機(jī)就是一種超級(jí)“工業(yè)加速器”。

二十多年來(lái)，郭國(guó)平一直從事量子計(jì)算研究，為造出中國(guó)人自己的量子計(jì)算機(jī)不懈努力著。

“8013”

“二十年前，我們這群人‘站’在桌子前開(kāi)始中國(guó)量子計(jì)算研究的第一步。”郭國(guó)平如是說(shuō)，“唯一的一把椅子被坐垮了，我們只有‘站’著搞研究”。

在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)一間編號(hào)為“8013”的閑置教室里，6個(gè)愛(ài)好量子計(jì)算的青年，開(kāi)始探索如何在現(xiàn)實(shí)中造出中國(guó)的量子計(jì)算機(jī)……

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里，計(jì)算機(jī)使用“0”和“1”進(jìn)行信息存儲(chǔ)與處理，一個(gè)比特如一個(gè)普通開(kāi)關(guān)，或0或1。量子計(jì)算機(jī)則完全不同，由于量子糾纏與疊加，一個(gè)“量子開(kāi)關(guān)”可以同時(shí)代表0和1，稱之為量子比特。

一個(gè)含有n個(gè)比特的經(jīng)典存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)2n個(gè)可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任意一個(gè)，如果是量子存儲(chǔ)器，則可以同時(shí)存儲(chǔ)2n個(gè)數(shù)，相當(dāng)于2n個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的CPU同時(shí)工作。每增加一個(gè)量子比特，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將以指數(shù)倍增加。一旦量子比特?cái)?shù)達(dá)到50以上，它就能在處理某些特定問(wèn)題時(shí)展現(xiàn)超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。

擁有可實(shí)際使用的量子計(jì)算機(jī)，意味著擁有指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的更快產(chǎn)品研發(fā)速度、更大協(xié)同能力。

“大國(guó)，一定要有大算力！量子計(jì)算機(jī)可以解決很多經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以解決的問(wèn)題，這對(duì)國(guó)家來(lái)講太重要了。”那時(shí)候，才20多歲的郭國(guó)平已經(jīng)感受到美國(guó)在量子計(jì)算上開(kāi)始發(fā)力，他意識(shí)到中國(guó)的量子計(jì)算研究就算再艱難也必須立刻起步，否則未來(lái)會(huì)受到他國(guó)的量子威懾。

憑著這股勇氣，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室，他和同伴們就找了一間閑置教室當(dāng)實(shí)驗(yàn)室，教室編號(hào)就是8013；沒(méi)有經(jīng)費(fèi)，就以個(gè)人的名義去借；唯一的椅子坐塌了，舍不得花錢去買，卻寧愿每天花好幾千元去買做實(shí)驗(yàn)必須用的液氦……

2009年，郭國(guó)平團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)了經(jīng)典的量子霍爾效應(yīng)，從而掌握了半導(dǎo)體納米器件極低溫、極弱信號(hào)測(cè)量技術(shù)，為量子芯片和量子計(jì)算的后續(xù)研制，打下了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。此后一步一個(gè)腳印，逐步奠定了中國(guó)量子計(jì)算機(jī)的基石。

“為國(guó)守賽道”

研究量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)工程，芯片設(shè)計(jì)、納米加工、檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析，還有軟件編程，涉及物理、微電子、機(jī)械、軟件等多個(gè)學(xué)科，都要從頭干起。

“現(xiàn)在站在這四臺(tái)量子計(jì)算機(jī)面前，回憶起二十年前的艱苦奮斗，真是感慨不已。”郭國(guó)平提到，在老一輩革命家和科學(xué)家的言傳身教影響下，他一直不忘初心、牢記使命，堅(jiān)信要用過(guò)硬的科學(xué)技術(shù)來(lái)報(bào)效祖國(guó)。

連續(xù)十四年，每一年的“五一”勞動(dòng)節(jié)，郭國(guó)平都會(huì)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。

“我們有兩個(gè)研究平臺(tái)，都需要零下270攝氏度左右的運(yùn)行環(huán)境。營(yíng)造這樣的極低溫環(huán)境，一天需要消耗20多升液氦，而液氦又很貴，100多塊錢一升。”郭國(guó)平算了筆賬，“如果一天什么都不干的話就相當(dāng)于白白扔掉五六千塊錢。”如果關(guān)掉幾天再重啟，更是要浪費(fèi)幾萬(wàn)元。這對(duì)于郭國(guó)平團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，無(wú)異于是巨大資源的耗費(fèi)。

“所以這些年，我們實(shí)驗(yàn)室的人員基本上全年無(wú)休，兩班倒，保證設(shè)備24小時(shí)運(yùn)行。”芯片制作也是一樣，從切割硅基板到做出芯片，一切順利的話，一個(gè)流程得三四天。“我們常常在密閉的超凈間里一待就是十幾個(gè)小時(shí)，大多數(shù)時(shí)間都是站著。”郭國(guó)平介紹說(shuō)，制作好的芯片還需要再經(jīng)過(guò)一道工序才可以拿來(lái)作為樣品測(cè)試。“測(cè)試芯片需要在長(zhǎng)寬不到一厘米的芯片板上，焊上50根線。這個(gè)過(guò)程通常要花費(fèi)1個(gè)多小時(shí)。”

正是有了這些堅(jiān)定不移的“為國(guó)守賽道”的量子青年們，才一步步壘起中國(guó)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)與工程化研究。

從2012年到2017年，郭國(guó)平團(tuán)隊(duì)先后完成了基于半導(dǎo)體的單比特、兩比特、三比特量子計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)零的突破。

2017年，郭國(guó)平團(tuán)隊(duì)成立中國(guó)第一家量子計(jì)算公司——本源量子。

這些年，團(tuán)隊(duì)始終保持在國(guó)際量子計(jì)算“第一方陣”：量子計(jì)算專利數(shù)目前排名全國(guó)第一、全球第六，成功研發(fā)我國(guó)首套量子計(jì)算測(cè)控和操作系統(tǒng)……

而這一切都是源自“造出中國(guó)人自己的量子計(jì)算機(jī)軟硬件”的目標(biāo)，讓中國(guó)在量子計(jì)算機(jī)時(shí)代不再受制于西方。

“萬(wàn)里長(zhǎng)征”的每一小步

2022年的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議首次明確提出加快量子計(jì)算技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣。“近十年來(lái)，正是國(guó)家和學(xué)校的大力支持，才能讓我們逐步縮小與國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)的差距。”郭國(guó)平欣慰地說(shuō)。

到目前，郭國(guó)平團(tuán)隊(duì)已研發(fā)出多臺(tái)中國(guó)量子計(jì)算機(jī)，并在2021年成功交付一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)給用戶使用。

據(jù)公開(kāi)報(bào)道，該量子計(jì)算機(jī)的成功交付使我國(guó)成為世界上第三個(gè)具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的國(guó)家，這是我國(guó)繼實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”之后，又一次牢固確立在國(guó)際量子計(jì)算研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

在明確的需求牽引下，郭國(guó)平團(tuán)隊(duì)也完成了很多“卡脖子”難題的攻克。

2022年，郭國(guó)平團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國(guó)內(nèi)首條量子芯片生產(chǎn)線開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)。

在這一年多的時(shí)間，這條生產(chǎn)線陸續(xù)導(dǎo)入了24臺(tái)量子芯片生產(chǎn)相關(guān)的工藝設(shè)備，孵化出了3套自研的量子芯片專用設(shè)備，生產(chǎn)了1500多個(gè)批次流片試制的產(chǎn)品，交付了多個(gè)批次的量子芯片以及量子放大器等產(chǎn)品。

“在這條量子芯片生產(chǎn)線上生產(chǎn)出來(lái)的一塊塊量子芯片，可以讓中國(guó)不再有硅基芯片這般被人卡脖子的痛苦。”郭國(guó)平說(shuō)。

國(guó)內(nèi)首條量子芯片生產(chǎn)線對(duì)面，是四臺(tái)國(guó)產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)一字排開(kāi)……

量子計(jì)算機(jī)從實(shí)驗(yàn)室走向工程化涉及諸多難題，“大到設(shè)備，小到元器件，都是我們必須面對(duì)和解決的問(wèn)題。我們目前取得的成績(jī)，都只是‘萬(wàn)里長(zhǎng)征’走出的一小步。”郭國(guó)平說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)在2018年成立的中國(guó)首個(gè)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，經(jīng)過(guò)5年多的發(fā)展，聯(lián)盟成員數(shù)已經(jīng)突破80家。“希望有更多人參與進(jìn)來(lái)”，郭國(guó)平表示，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的整體繁榮，不能只靠某一家或幾家機(jī)構(gòu)，“從技術(shù)突破到規(guī)模量產(chǎn)、落地應(yīng)用、市場(chǎng)擴(kuò)張，需要漫長(zhǎng)的周期和產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合力。”

“以量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)為例，需要多種學(xué)科、不同產(chǎn)業(yè)方向的融合協(xié)作。只有越來(lái)越多不同行業(yè)的企業(yè)加入研發(fā)，才能讓量子計(jì)算有更多應(yīng)用場(chǎng)景，從而極大地推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)效率。”

從“8013”的“一把舊椅子”起步，到如今的量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付，這趟“長(zhǎng)征”的每一小步都尤為重要。

大國(guó)要有算力。為做好這件事，郭國(guó)平還繼續(xù)奮斗在路上。