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量子计算大战正酣，中国提前布局这一关键领域

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量子计算大战正酣，中国提前布局这一关键领域

量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置 。 广义上 ， 当某个装置处理和计算的是量子信息 ， 运行的是量子算法时 ， 就可称之为量子计算机 。
01量子计算机大战正酣
2019 年 ， 美国谷歌公司研制出 53 个量子比特的计算机 “悬铃木” ， 在全球首次实现量子优越性 ， 开启了量子计算的新时代 。 2024 年底 ， 谷歌亮出新一代 Willow 芯片 ， 展现出强大的计算能力 ， 5 分钟就能搞定传统计算机需 10 的 25 次方年才能算完的题目 。
【量子计算大战正酣，中国提前布局这一关键领域】2025 年 ， 微软发布了全球首款基于拓扑量子比特架构的量子计算芯片 Majorana 1 。 该芯片采用半导体砷化铟与超导体铝合成的拓扑导体材料 ， 通过操控马约拉纳粒子实现高稳定性量子位运算 。 作为微软近 20 年拓扑量子研究的核心成果 ， Majorana 1 首次验证了单芯片扩展至百万量子位的技术可行性 ， 被应用于数学问题验证与原型机开发 ， 有望推动材料科学、人工智能等领域取得重大突破 。
在国际上 ， 其他国家也在积极推进量子计算的发展 。
2025 年 3 月 ， 芬兰国家技术研究中心和 IQM 量子计算机公司推出欧洲首台 50 量子比特超导量子计算机 。 芬兰于 2020 年 11 月首次公布其在量子计算领域的发展计划 ， 政府共拨款 2070 万欧元用于开发 50 量子比特量子计算机 。 该计划分三个阶段 ， 2021 年研发出 5 量子比特量子计算机 ， 2023 年研发出 20 量子比特量子计算机 ， 50 量子比特量子计算机的推出标志着第三阶段完成 。
此外 ， 加拿大 Xanadu 量子技术公司开发出全球首台可扩展光量子计算机原型 ， 研究人员采用了模块化设计理念来构建这台量子计算机 ， 初始阶段构建一个包含少量量子位的基本单元 ， 适用于最基础的应用场景 ， 随着需求增长 ， 可以通过添加更多相同类型的单元来扩展计算能力 ， 这些单元通过网络协同工作 ， 共同构成一台大型计算机 ， 每个新增的单元或量子服务器机架都会增加整体处理能力 ， 由于整个系统基于光子技术 ， 因此无需将光子组件与传统电子组件结合使用 。
在国内 ， 2020年 ， 潘建伟团队构建 76 个光子的量子计算原型机 “九章” ， 使中国成为全球第二个实现量子优越性的国家 ， 在量子计算领域占据了重要一席之地 。 2021 年 ， 潘建伟团队再接再厉 ， 成功研制含 113 个光子的 “九章二号” 和 66 比特的 “祖冲之二号” 量子计算原型机 ， 让中国成为在光学和超导两条技术路线上都实现量子优越性的国家 ， 进一步巩固了中国在量子计算领域的领先地位 。 2023 年 10 月 11 日 ， 量子计算原型机 “九章三号” 成功构建 ， 其计算能力令人惊叹 ， 1 微秒可算出的最复杂样本 ， 当前全球最快的超级计算机约需 200 亿年才能完成 。 2025 年 3 月 21 日 ， 潘建伟院士团队正式发布光子量子计算机 “九章 4 号” ， 实现了 3000 个光子协同操控 ， 单比特误差率仅 0.001% ， 处理高斯玻色取样任务的速度比超级计算机快 10^32 倍 ， 再次刷新了量子计算的速度纪录 。
本源量子计算科技（合肥）股份有限公司于2024年1月6日上线运行了我国第三代自主超导量子计算机“本源悟空” 。 该量子计算机搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯” ， 是目前先进的可编程、可交付超导量子计算机 。 科研人员介绍 ， 超导量子计算机是基于超导电路量子芯片的量子计算机 ， 国际上 ， IBM与谷歌量子计算机均采用超导技术路线 。 “本源悟空”匹配了本源第三代量子计算测控系统“本源天机” ， 真正落地了量子芯片的批量自动化测试 ， 大大提升了量子计算机的整机运行效率 。 其搭载的72位超导量子芯片“悟空芯” ， 共有198个量子比特 ， 其中包含72个工作量子比特和126个耦合器量子比特 。 截至今年6月4日 ， “本源悟空”已为143个国家和地区的用户完成超50万个量子计算任务 ， 全球访问量突破2900万次 ， 刷新中国自主量子算力服务规模纪录 ， 成为全球量子计算领域的重要参与者 。 2025年6月 ， 我国首条量子芯片生产线在合肥正式启用 ， 年产能达1000片 ， 标志着量子计算技术从实验室迈向产业化 。 该生产线由本源量子建设 ， 实现设计、流片到封装测试全流程国产化 ， 关键设备国产化率超90% ， 突破欧美技术垄断 。
中电信量子信息科技集团有限公司于2024年12月正式发布全国单台比特数最多的超导量子计算机 “天衍 504” ， 标志着其具备了全球领先的量子计算机制造和交付能力 。 2023 年 11 月 ， 中国电信发布了全球首个具备量子优越性能力的超量融合云平台 ——“天衍” 量子计算云平台 ， 通过 “天翼云” 超算算力和 176 个超导量子比特算力的融合 ， 为各类用户提供便捷简单的量子计算服务 。 2024 年 4 月 ， 504 比特超导量子计算芯片 “骁鸿” 交付 。 基于 “骁鸿” 芯片 ， 中电信量子集团和科大国盾量子技术股份有限公司联合研发出国内单台比特数最多的超导量子计算机 “天衍 504” ， 并通过 “天衍” 量子计算云平台向全球开放 。 该平台由一台 24 比特、两台 176 比特和一台 504 比特量子计算机组成国内最大的量子计算集群 ， 并提供 5 类运算性能世界一流的高性能仿真机和 Cqlib 量子编程框架 ， 实现了算力规模和算力类型的双重升级 。
02量子计算机大规模应用前夜 ， 这是关键
尽管量子计算取得了显著进展 ， 但要研制成功真正的通用量子计算机还有很长的路要走 ， 国际主流观点认为 ， 这至少还需要 5 年到 10 年的时间 。 IBM 在 2019 年提出刻画量子芯片性能的 “量子摩尔定律” ， 即量子芯片的量子体积每年至少增加一倍 。 随着量子比特数的指数性增长 ， 对于量子电子设计自动化的需求也越来越大 ， 而 Q-EDA 工具可以有效提升量子芯片研发的效率 。
2021 年 3 月 ， IBM 推出了 Qiskit Metal ， 一款基于 Python 用于超导量子芯片的开源电子设计自动化（EDA）软件 。 2021 年 6 月 ， 芬兰量子硬件初创公司 IQM 公布了其开源软件工具 KQCircuits ， 用于超导量子芯片版图的自动化设计 ， 通过该工具可以对芯片版图进行一定程度的检查优化 ， 减少微纳加工的成本 。 2022 年 3 月 ， 百度量子计算研究所在国际顶会 QIP2022 上介绍了其在量子芯片自动化设计工具方面的研发进展 ， 支持 2D 与 3D 超导量子芯片的自动化设计和仿真 ， 给定设计任务 ， 能够生成量子芯片的版图以及微纳加工所需的 gds 文件 ， 并对量子芯片性能进行仿真 ， 整个设计和仿真过程均可自动化地进行 ， 大大提升了量子芯片研发的效率 。 如今全球各大顶级高科技公司和高校正逐步投入研究力量开展 QEDA 工具的研发 ， 积极布局未来量子芯片市场 ， 以期在未来量子优势的竞争中抢占先机 。
03提前布局Q-EDA ， 把握下一世代机遇
与传统 EDA 自上而下规范化的集成电路设计检验流程相比 ， 目前业界典型的量子芯片设计非常类似于早期的 CAD 计算机辅助设计 ， 过度依赖实验经验 ， 量子芯片的设计与研发相对随意 ， 设计人员需要在多个不同的软件之间辗转 ， 手动完成量子芯片设计、布线等工作 ， 此方法在研发小规模量子芯片时勉强够用 ， 但随着量子比特数目的增加 ， 利用人工设计成千上万乃至百万量子比特构成的量子芯片显然是不现实的 ， 因此 ， 量子电子设计自动化工具的研发势在必行 。
芯片设计高度依赖EDA软件 ， 如果说光刻机是“芯片之父” ， 负责将芯片设计付诸物理实现 ， 那么EDA便是“芯片之母” 。 在量子计算时代 ， Q-EDA作为量子芯片设计的核心工具 ， 其自主化研发已成为突破技术封锁、抢占产业先机的关键 。
但当前在传统芯片 EDA 领域 ， 我国由于起步晚 ， 一直处于追赶地位 ， 如今量子计算机时代 ， 急需提前布局把握机遇 。 芯片设计离不开 EDA 设计软件 ， 为使国内的量子科技公司在与外国科技巨头竞争中不再落后 ， 避免在量子计算机时代再像传统芯片 EDA 那样受制于人 ， 2022 年初 ， 本源量子发布国内首个量子芯片设计工业软件 “Q-EDA” 本源坤元 ， 它能同时支持超导和半导体量子芯片自动化设计 ， 是高效进行大规模量子芯片工程设计的必要工具 。
近日 ， 安徽省量子计算芯片重点实验室发布消息 ， 国产量子芯片设计工业软件Q-EDA“本源坤元”完成第5次技术迭代 。 此次迭代成功突破大规模量子芯片设计技术瓶颈 ， 为我国量子芯片自主研发及产业化进程注入新动能 。
“本源坤元” 由本源科仪 (成都) 科技有限公司完全自主研发 ， 自 2022 年首次发布并填补国内空白以来 ， “本源坤元” 围绕 “大规模、高精度、自动化” 目标 ， 已稳步完成 5 次迭代升级 。 以 72 比特量子芯片设计为例 ， 此次迭代后的 “本源坤元” 在工艺设计套件的支持下 ， 已实现自动化一站式快速版图生成 ， 仅需 6 分 50 秒即可完成 72 比特芯片的完整版图绘制 。
设计量子芯片就像建造房屋 ， 既要精心规划空间布局 (量子芯片结构设计) ， 又要优化关键的 “水电布线”(量子比特连接) 。 本源科仪 (成都) 科技有限公司总经理李舒啸介绍 ， “本源坤元” 第 5 版核心突破在于布线灵活性的全面升级 ， 创新实现了空间极限场景下的全自动布线功能 ， 并灵活提供多种半自动修线工具 ， 且兼顾了设计效率与操作自由度 。 安徽省量子计算芯片重点实验室主任郭国平表示 ， 此次软件升级进一步突破了大规模量子芯片设计的技术瓶颈 ， 成功实现千万级网格量的建模和量子芯片参数数值计算 ， 有力增强了我国在量子计算核心环节的竞争力 。
在量子计算这场激烈的全球竞争中 ， 中国通过在量子计算机研发和 Q-EDA 工具布局等关键领域的提前规划和持续投入 ， 正逐步在量子计算领域占据领先地位 ， 为未来在量子科技时代的发展奠定了坚实基础 。 随着技术的不断进步和产业化的推进 ， 中国有望在量子计算领域实现更大的突破 ， 引领全球量子科技的发展潮流 。
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