天算1号：国内首个离子阱可扩展分布式量子计算机项目

量子信息技术发展十分迅速，如今俨然已经成为了国际竞争角逐的新 “战场”。量子信息技术作为未来最具潜力、提升综合国力必不可少的尖端技术，世界各国都纷纷提出量子战略、设立量子项目以促进本国量子科技的发展。当下，中国也愈发重视量子科技产业，不断通过自主研发技术创新打破国外垄断地位。

启科量子的联合创始人兼 CEO 陈柳平在量子技术领域已深耕 20 年，他曾任全球知名量子技术公司 MagiQ 总工程师，于 2003 年参与推出了全球首套商业化量子通信系统，先后研发了共四代商业化量子通信系统。

早在 2007 年，他便开始研究量子计算机关键设备，开发出全球首个专用量子计算波形发生器，同时他还与麻省理工学院、哈佛大学等一流高校合作开发离子阱量子计算机项目。2015 年，陈柳平参与开发出全球首套量子计算操控系统，促进了全球量子计算机科研和产品的进步。

天算 1 号：国内首个离子阱可扩展分布式量子计算机项目

陈柳平和团队专注量子通信设备制造与全栈式离子阱量子计算机开发，目前，在这两个领域都已经取得了一系列研究成果。

量子通信方面，团队在 2019 年完成基于单光子的量子秘钥分发系统研发，2020 年实现基于纠缠态的量子信息传输，产品包括量子保密通信网络核心设备、量子保密通信网络运维产品、量子安全应用产品和脉冲激光器等核心组件。目前，量子通信产品已经进入量产推进阶段，并计划在国内多领域开展应用部署。

量子计算方面，团队于 2018 年就在中国率先开展了分布式离子阱量子计算机的研发，并于 2020 年 8 月正式启动了“天算 1 号” 离子阱量子计算机项目，预计在 2-3 年的时间完成。

此外，陈柳平向 DeepTech 介绍了下一步的研究动向：“2022 年，我们将启动离子 - 光子纠缠的分布式量子计算机研发，预计 2023 年实现分布式的百比特量子计算机（量子体积将达到亿级），并将在此基础上进一步研发分布式千比特量子计算机，以此拓展量子计算在人工智能、生物制药、智慧交通、金融等领域商业应用。”

关于 “天算 1 号”，陈柳平首先介绍了离子阱技术。他说：“离子阱是实现通用量子计算的两个公认可行方案之一。离子阱量子计算机具有量子比特同一性优异、相干时间超长、制备和读出效率高、量子逻辑门保真度高四大优点。”离子阱是同时满足量子计算 5 个基本准则和量子网络 2 个准则的唯一物理体系。“目前专注于离子阱量子计算机研发的企业有美国的 IonQ 和 Honeywell、奥地利的 AQT、英国的 UC 以及中国的启科量子，研发机构有桑迪亚国家实验室、MIT、清华、中科大等等。” 陈柳平补充道。

用目前通用量子计算机跑分的指标 —— 量子体积来衡量，IonQ 离子阱量子计算机量子体积达到 400 万，超过首次实现量子霸权的谷歌超导量子计算机的 2-3 个数量级。美国离子阱量子计算机的头部公司 IonQ 由美国国家量子法案的国会科技听证人（四位听证人分别代表科技、教育、产业、国家安全）、美国科学院院士 Chris Monroe 领衔，已经获得谷歌、亚马逊、微软等国际信息产业巨头投资。

在国内，多个科技公司定位于超导量子计算，但是离子阱量子计算的工程与商业开发缺位。陈柳平和他的团队填补了这一空缺，是目前国内唯一一家基于离子阱技术开发量子计算机并将其工程化的公司，并将中国量子计算机的产业化开发推向国际领先地位。

在被问及当前的离子阱技术难点时，陈柳平告诉 DeepTech：“离子阱有两个技术难点，第一是如何把大量离子在小范围内囚禁起来；第二是如何控制高精度高能量的激光。”“离子阱未来发展取决于两个重要因素，微波芯片制造工艺和激光控制。非常值得一提的是，目前中国在激光工业，包括光学工业方面更为先进，是世界一流！” 他随后补充说。

核心技术主导发展命脉

中国有一批优秀的量子科技公司，在提到相较于其他公司的优势时，陈柳平告诉 DeepTech：“我们有两个核心竞争力。其一，团队核心成员拥有 20 多年的量子通信、量子计算多领域技术积累与实践经验，技术自主可控，在国内处于领先地位；其二，我们是国内首家兼具量子计算和量子通信研发能力的企业，对于构建通信和计算相结合的第三代量子网络具有独一无二的产品和技术优势。”

陈柳平随后向 DeepTech 介绍了团队情况。团队的核心人员包括来自哈佛大学、斯坦福大学、马里兰大学和全球知名量子技术公司 MagiQ、1Qbit 等机构的 50 多位科学家和工程师，硕士及以上学历占比超 85%。他们具有丰富的科研及实践经验，同时也在国际上获得一系列重要研究成果。比如，2010 年研制出全球第一个私密性被物理定律保护的量子随机数发生器；2012 年研制出全球第一个基于微电子工艺的离子阱芯片并首次实现了离子囚禁；2018 年在中国率先开展分布式离子阱量子计算机研发等等。另外，多位团队成员在 Nature、PRL 等重要期刊上发表论文 30 余篇、获得数十项专利。

得益于上述人才实力，团队用 16 个月完成了城域网高速量子通信系统等系列第一代产品的研发，综合性能达到国际领先水平，目前已开始进入市场化阶段。

与此同时，“天算 1 号” 千比特离子阱量子计算机的包括离子阱芯片、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、量子云和量子应用软件等研发也在持续进行中。

谈及在核心技术、实验室建设、标准制订、产学研合作等方面的成果，陈柳平告诉 DeepTech：“我们的量子密钥系统的设计方案采用新型时间相位编码，与其他方案相比，可以做到完全的偏振无关性，而且大大降低接收端的插损，从而提高系统成码率和传输距离，能够更好的适用于长距离复杂光缆应用环境。”

实验室建设方面，陈柳平说：“我们的量子通信研发中心位于北京，用于研究开发量子通信关键技术、设备及在相关领域中的应用解决方案。目前已实现量子通信网络核心设备、量子通信网络运维产品、量子安全应用产品及核心组件的研制，产品将主要应用于政务、国防、金融、电力分配、交通等广泛领域的量子保密通信网络建设；我们的量子计算 H-bar 实验室位于大湾区，按计划目标推进 “天算 1 号” 离子阱量子计算机项目。”

标准制定方面，公司承担了包括《量子密钥分发 (QKD) 系统技术要求》、《量子密钥分发 (QKD) 系统测试方法》、《量子保密通信 VPN 设备检测技术规范》、《量子保密通信系统密钥交互接口技术规范》在内的四项国家及行业标准的编制任务。

产学研层面，陈柳平向 DeepTech 列举了一些合作机构。“我们与国外多家量子科技企业、麻省理工学院、清华大学、北京大学、国家电网、中科院计算机所以及中科院精密测量科学与技术创新研究院等众多国内外科研机构及多领域企业展开交流并互惠协作。” 他说。

全球及中国量子信息技术发展现状

在谈及全球量子信息技术和中国所处的地位和现状时，陈柳平告诉 DeepTech：“目前，中国的量子信息技术的一些领域在国际占据优势，但有一些方面还处于起步阶段，整体的综合技术实力和欧美国家存在差距。”

量子信息技术其实是一个统称，它主要包含量子计算、量子通信和量子测量三大领域。

“量子计算具备巨量信息携带和超强并行计算能力，能够在某些计算困难问题上提供指数级加速。在全球范围，现在正处于含噪声中等规模量子计算的研发阶段，预计在人工智能、生物医药、航空航天等领域将产生‘杀手级’应用。” 陈柳平表示。“目前，在量子计算领域，美国依然处于全球领先地位，中国在量子计算方面处在赶超阶段。” 他补充道。

“量子通信的典型应用包含量子密钥分发（QKD）和量子隐形传态（QT）。基于 QKD 的量子保密通信是目前已经初步实用化的应用方向，已经开展多领域应用和产业化发展；QT 研究距离实用化仍有较大距离。” 陈柳平说道，“中国在 QKD 技术的远距离、高速率、小型化、安全攻防以及标准化方面，以及在量子隐形传态、量子中继等面向未来量子网络的核心技术方面，均取得了一系列重大成果，可以毫不夸张地说，中国的量子通信在国际处于第一梯队”。

关于量子测量，陈柳平表示：“近年来主要研究关注提升测量性能指标，进一步挑战测量精度记录和突破经典测量计算；推进样机系统化，进一步开展小型化、芯片化和可移动化研发，增强系统实用性。” 他告诉 DeepTech，“目前而言，中国在量子测量应用与产业化尚处于初步阶段，但正在逐步发力。”

采访最后，陈柳平向 DeepTech 介绍了他和团队的长期目标以及未来愿景。于公司层面，他将带领团队建立起通信与计算相结合的第三代量子网络，即以连接量子计算机为核心的量子互联网，从而让数据更安全、计算更高效。于国家层面，依托团队自身技术实力不断突破创新，推动中国量子信息技术产业稳定快速发展，让中国量子科技在国际达到领先地位。

据悉，启科量子总部位于北京中关村软件园，是国内首家在量子计算、量子通信、量子测量领域均拥有自主核心技术和综合产品研制能力及经验的公司。2021 年 1 月 19 日，启科量子完成了 5000 万元天使轮融资，投资方为中关村前沿基金、中关村金种子基金等。

原文标题：国内初创公司研制离子阱可扩展分布式量子计算机｜专访

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责任编辑：haq