近日“中國有了量子手機”沖上熱搜。
3月2日，由中華全國總工會與中央廣播電視總臺聯(lián)合主辦的2025年“大國工匠年度人物”正式揭曉。來自中電信量子集團控股科大國盾量子技術股份有限公司副總工程師、研發(fā)總監(jiān)、中國電信量子研究院量子通信研究所首席專家唐世彪榜上有名。
熱搜背后，是一個被很多人忽略了17年的技術攻堅故事。
量子通信的核心，是“單個光子通信”。單光子不可被復制、不可被拆分，這意味著一旦被竊聽就會被發(fā)現(xiàn)，理論上可實現(xiàn)最高等級的通信安全。
17年前，我國在單光子探測等核心器件上幾乎完全依賴進口。年僅27歲的唐世彪帶著團隊，從零起步，一次次試驗、一次次失敗，最終研制出國內首臺單光子探測器，探測效率達到進口產(chǎn)品的五倍以上。
從“能用”到“好用”，再到“領先”，這條路走了整整17年。
當前，量子計算正在逼近一個關鍵拐點。如果說摩爾定律定義了經(jīng)典計算的增長節(jié)奏，那么在量子世界中，邏輯量子比特的規(guī)模擴展，也正沿著每5年增長10倍、每10年增長100倍的路徑加速前行。
在這條路徑上，量子芯片并非唯一的主角。決定一臺量子計算機能否“算起來”的，是隱藏在背后的測控系統(tǒng)——它像經(jīng)典計算機的“主板”，負責對量子芯片上的量子比特進行精確操控，執(zhí)行量子邏輯門操作、量子態(tài)測量以及算法執(zhí)行。如果沒有高性能、低噪聲、高同步精度的測控系統(tǒng)，再精良的量子芯片也無法真正發(fā)揮計算能力。
2025年6月16日，由國盾量子自主研發(fā)的超導量子計算測控系統(tǒng)ez-Q Engine2.0正式交付，并成功應用于我國最先進的超導量子計算機——“祖沖之三號”上。這標志著我國在千比特規(guī)模測控領域實現(xiàn)了自主可控，擺脫了國外設備的“卡脖子”限制。
ez-Q Engine2.0真機發(fā)布
01“蝴蝶振翅”的十萬分之一能量
“量子比特一次翻轉的能量，相當于一只蝴蝶振翅所需能量的十萬分之一?！敝袊茖W技術大學教授、博士生導師、“祖沖之號”量子計算原型機總師朱曉波曾用這個比喻來解釋量子測控的難度，大國工匠、國盾量子副總裁、研發(fā)總監(jiān)唐世彪進一步解釋：“我們要測控這個微小信號，同時確保測控過程本身所產(chǎn)生的噪聲不超過這個量級。”
時間再往前，回顧中國量子計算的起步階段，走的是一條典型的“跟隨—學習—超越”之路。
這幾乎是一個反直覺的工程挑戰(zhàn)——就像要在狂風暴雨中聽見一根針落地的聲音，而你的“聽診器”本身，不能發(fā)出任何聲響。
“我們把量子芯片做出來了，性能也不錯，但測控系統(tǒng)還得依賴國外采購?！碧剖辣胩寡?，這就像設計出一輛頂級賽車，卻不得不使用別人的方向盤和控制系統(tǒng)。
在早期，這種選擇是務實的。國際上已有相對成熟的測控系統(tǒng)產(chǎn)品，購買現(xiàn)成設備能夠顯著加快科研進程。
然而，隨著中國量子計算機從原理驗證走向實際應用，隱患逐漸顯現(xiàn)：國外供應商開始收緊技術出口。
“最好的設備他們留著自己用，賣給我們的往往不是最新一代?！碧剖辣牖貞浀?，“就像光刻機、稀釋制冷機一樣，這是典型的‘卡脖子’環(huán)節(jié)?！?/div>
隨著中國在量子通信領域已實現(xiàn)領跑，量子計算也進入國際第一梯隊。隨之而來的，是愈發(fā)嚴格的技術封鎖。
自主研發(fā)，已不再是“要不要”的選擇，而是“必須走”的道路。
02在沒有靶標的路上修路
帶著“我們不能成為量子計算機領域短板”的共識，國盾量子在2015年前后開始系統(tǒng)性布局超導量子計算測控系統(tǒng)研發(fā)。彼時，團隊規(guī)模只有十來個人，對標的卻是國際巨頭數(shù)十年的技術積累。
壓力來自多個方向。一方面，是時間窗口的壓力。量子芯片的迭代節(jié)奏并不穩(wěn)定，可能突然取得突破，而測控系統(tǒng)體量龐大、研發(fā)周期長，必須提前布局；另一方面，是指標本身的不確定性。
“我們基本是在迷霧中修路。”唐世彪形容道，“國外不會公開技術路線，我們也沒有現(xiàn)成的標準可以參照?！?/div>
“最難的是沒有靶子?！碧剖辣胝f。研發(fā)期間，并不存在性能足夠高的量子芯片，來為千比特測控系統(tǒng)提供“反向驗證”指標的合理性。許多參數(shù)只能通過反復計算、實驗和與科學團隊的深度協(xié)同來不斷修正。某些指標今天看似已經(jīng)足夠；一個月后，可能又被證明仍需提升。有些參數(shù)可以讓步，有些則絕不能妥協(xié)。多個指標之間相互牽制，往往呈現(xiàn)出“按下葫蘆浮起瓢”的狀態(tài)。
這種情況下，唯一的應對方式，就是快速響應與持續(xù)迭代。“只要一天沒有定型，我們的優(yōu)化就不會停?！碧剖辣胝f。
如今，即便ez-Q Engine2.0已正式發(fā)布半年多，團隊仍在持續(xù)推進性能指標的打磨和提升——不是追求一次性完成，而是不斷逼近極限。
03翻過一座又一座高山
在ez-Q Engine2.0研發(fā)中，第一個“攔路虎”出乎意料的“基礎”——散熱。
“集成度提高后，熱量就集中了。一個板卡的溫度變化1度，就可能導致量子比特的控制信號失真。”唐世彪解釋。
為此，團隊搭建了專門的高低溫實驗箱，模擬從-50℃到80℃之間，不同溫度、濕度環(huán)境。工程師們需要觀察板卡內上百個監(jiān)測點的溫度變化，在密集的數(shù)據(jù)中分析不同器件的散熱狀況，探尋最優(yōu)散熱方式。
“那半年，我們就像在和時間賽跑?！碧剖辣牖貞洠惠唽嶒炓掷m(xù)三四天，結束后立刻分析數(shù)據(jù)、調整設計，再重新進入下一輪測試——循環(huán)往復，沒有捷徑。最考驗耐心的，是仿真與實測之間的偏差。團隊建立了復雜的熱仿真模型，但結果始終與實際測量存在出入。工程師們只能不斷修正參數(shù)、重構模型，直到仿真結果能夠真實反映溫度分布。
從百比特到千比特，不僅僅是數(shù)量增加，更是質的變化。如何讓上千個控制信號嚴格同步，這在世界范圍內都是技術難題。
“想象一下千人閱兵，步伐必須完全一致?！碧剖辣氡扔鞯?，“量子控制的時間精度要達到納秒級，一個比特不同步，整個計算就可能出錯?！?/div>
從2024年10月開始，團隊用了近半年時間對系統(tǒng)架構進行重構。他們設計了全新的時鐘分配網(wǎng)絡，確保每一個控制通道都能獲得高度一致、穩(wěn)定可靠的時鐘信號。
最緊張的時刻，發(fā)生在一次關鍵實驗中——量子芯片突然“失鎖”，控制信號無法準確鎖定量子比特，實驗被迫暫停。“現(xiàn)場設備不能輕易動，影響因素太多?！碧剖辣肓⒓磫討鳖A案，“必須在實驗室復現(xiàn)故障”。
接下來兩周，團隊白天分析日志、定位問題，晚上搭建模擬環(huán)境、驗證解決方案。最終定位了問題——一個邏輯IP在極端工況下出現(xiàn)了時序異常。
好在，問題并不需要推翻硬件設計。團隊通過更新邏輯IP修復了缺陷。當修改后的系統(tǒng)重新上線，量子信號恢復穩(wěn)定，實驗室里的人才真正松了一口氣。
“反而到最后驗證時，我們很平靜。”唐世彪說，“因為每一步都做扎實了，心里有底?！?/div>
04沒有終點的競賽
如果說散熱和同步是“硬功夫”，那么噪聲控制就是“內功心法”。
“量子比特非常脆弱，環(huán)境噪聲很容易淹沒信號?！碧剖辣虢忉?，“我們必須把電子噪聲做到極限——不能比當前工藝水平下芯片本身的噪聲更高?！?/div>
這是一場沒有終點的競賽。團隊從電源噪聲入手，逐步優(yōu)化每一個環(huán)節(jié)：電路設計、材料選擇、屏蔽結構……甚至開始研究實驗室的接地噪聲。
“這已經(jīng)超出了傳統(tǒng)測控電子的范疇?！碧剖辣胩寡裕暗绻唤鉀Q，就會成為系統(tǒng)瓶頸?！?/div>
也正是這種近乎苛刻的精益求精，讓中國在量子計算的“中樞神經(jīng)”上，完成了關鍵一躍。
相比上一代產(chǎn)品，ez-Q Engine2.0集成度提高了約10倍，單機箱最高支持128個數(shù)據(jù)比特及256個耦合比特，8臺就能完成千比特操控任務，核心元器件采用國產(chǎn)化設計，是國內同類產(chǎn)品中體積最小、性能最優(yōu)的，在保持核心技術指標國際先進水平的同時，價格不到國外產(chǎn)品的一半。
但這仍只是階段性成果。隨著“祖沖之四號”對系統(tǒng)穩(wěn)定性、同步精度和噪聲控制提出更高要求，下一代測控系統(tǒng)的研發(fā)已同步啟動。
在這條尚無清晰靶標的量子計算之路上，測控系統(tǒng)仍需持續(xù)向前延伸。唐世彪和他的團隊所做的，是在微觀世界中不斷捕捉“蝴蝶振翅”的微光，并讓這束微光，穩(wěn)定地照亮量子計算邁向更大規(guī)模的未來。
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