量子信息面临“卡脖子”，中国需要更多的国仪量子

出品  光子盒研究院

导读：最近有大学教授反映，在他的《量子精密测量技术》课程实验中介绍了量子云，发现在IBM Q上的账户突然无法登录，与IBM Q联系也没有回应。这影响到了该团队的一项研究工作，卡脖子问题再次困扰中国学界。为了突破国际封锁和禁运，近年来不少学者开始进入业界，其中最具代表性的是杜江峰和他的国仪量子。

就在2020年元旦前夕，国仪量子收到了一份特殊的礼物——来自清华大学分析中心磁共振实验室赠送的一面锦旗。

此前，清华大学分析中心磁共振实验室的某国外品牌电子顺磁共振波谱仪测不到信号。由于返回原厂维修需要等待较长时间且费用较大，实验室尝试联系了国仪量子进行维修。

正常情况下返厂维修至少需要1个多月时间，国仪量子工程师从现场检查到恢复测试，用时仅4个工作日，大大节约了维修时间，清华大学分析中心磁共振实验室在锦旗中写到：

“维修专业及时可靠，解决了卡脖子问题，为我国仪器之表率。”

解决卡脖子问题，并非一蹴而就。早在十多年前，国仪量子的创始人杜江峰院士亲身经历了清华大学面临的窘境。

从那时起，杜江峰定下目标：有朝一日要实现从购买仪器到自主研制仪器的跃变。

逼出来的科研成果

1998年杜江峰刚开始研究量子计算时，他只是中国科大物理系的一名普通讲师，没有科研经费，也没有实验条件。当时科大能用的只有生物系的那台核磁共振谱仪，他们的实验必须借助这台仪器。大约10年时间杜江峰都是借生物系的设备。

第一个实验成功后，杜江峰向学校借了一部分经费，研究逐步走上正轨。尽管实验设备仍然奇缺，杜江峰还是取得了一项又一项的研究成果。

2002年，杜江峰在国际上第一次成功地实现了量子博弈的实验研究，并发表于《物理评论快报》。这是国内量子计算实验研究工作首次在该国际权威杂志上发表。

2003年，杜江峰在国际上首次成功地观测到任意量子态的几何相。《物理评论快报》审稿人大加赞赏，“为今后实现高精度、低噪声、自容错的量子计算机指明了新的研究方向”。

2009年，杜江峰领导的研究小组通过电子自旋共振实验技术，在国际上首次通过固态体系实验，实现了最优动力学解耦，提高了电子自旋相干时间。这项成果发表于《自然》杂志。

杜江峰院士

与其他人不同，杜江峰在量子计算领域走的是磁共振路线，不管是核磁共振，还是电子自旋磁共振的研究，都是在购买的商用谱仪上完成的。

当时，由于教学和科研需要，杜江峰曾向一家国外公司购买电子顺磁共振波谱仪，但遭遇了国外公司临时坐地起价。这一事件，深深刺激了杜江峰团队。于是杜江峰为自己定下了新的目标：有朝一日要实现从购买仪器到自主研制仪器的跃变。

2009年之后，杜江峰团队将研究深入到光探测磁共振领域，购买的谱仪已经不能满足实验需求，必须尝试自己设计、建设新的科学谱仪。杜江峰的学生、国仪量子总经理贺羽在回忆那段经历时说，后来取得的一系列科研成果“完全是逼出来的”。

从那时起，杜江峰团队开始尝试自己设计、建设新的科学谱仪，以满足他们在单分子层面上的科学研究。实验室人数规模不算大，加上他自己，大约10人，基本上都是年轻人。这样一支年轻团队展现出了对科研惊人的投入与激情，进而迸发出巨大的能量。

2015年3月，杜江峰领衔的研究团队再一次创造了一项惊艳世界的研究成果：利用钻石中的氮-空位点缺陷（NV色心）作为量子探针（简称“钻石探针”），选取了细胞分裂中的一种重要蛋白为探测对象，将量子技术应用于单个蛋白分子研究，在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。

NV色心，来源于金刚石有序的碳原子晶格中两个相邻碳原子缺失的位置，其中一个被一个氮原子取代，另一个则是空的。结构中缺少键，电子对周围环境的微小变化非常敏感，无论是电、磁还是光。可实现对多种物理量的超高灵敏度检测。

这项成果发表于国际著名学术期刊《科学》上，同期《科学》“展望”栏目称赞“此工作是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”。这种以钻石作为“探针”的磁共振方法可以把以前看不见的东西变得“看得见”，在化学、材料、生命等很多领域都有广阔的应用前景。

凭借这一成果，2015年46岁的杜江峰当选中科院院士。也让他看到了将研究成果产业化的可能。2016年12月，杜江峰团队在合肥成立了国仪量子，致力于发展全球领先的量子精密测量技术，包括量子探针制备工艺、量子态调控技术、量子态测量技术等。

杜江峰本人已是国内最炙手可热的科学家，2016年因实现当时最高精度水平的抗噪声固态自旋量子控制和时间最优量子控制当选年度“科技创新人物”，2019年因在世界上首次在单自旋体系中观测到宇称时间对称性破缺当选中国科学年度新闻人物。

估值十亿的独角兽

杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室在高端科学仪器、关键核心器件的研制领域深耕十余年，多项技术、研究成果突破国际封锁和禁运，国仪量子在此基础上率先开展量子精密测量的产业化。

国仪量子拥有五大核心技术，包括高保真量子态调控技术、高灵敏度磁探测技术、微波收发技术、EPR探头技术和高精度扫描钻石探针技术，在此基础上推出了五大系列产品。

国仪量子五大系列产品

2017年，国仪量子推出了自主研发的量子态控制与读出系统（CRS），这是一款集成了方波输出（ASG）、任意波形输出（AWG）、数据采集（DAQ）、时间数字转换（TDC）等多项功能的产品。

量子态控制与读出系统

其中，ASG、AWG两大功能在量子计算和量子精密测量领域都起到至关重要的作用。在超导量子计算领域，AWG能够实现超导量子比特和离子阱量子比特的精密操控，ASG可以控制实验平台中各设备的工作时序，超高的延时精度能提供更好的实验效果。

在量子精密测量领域，使用NV色心进行量子精密测量时，ASG能够实现实验平台中各设备的工作时序控制，使用AWG进行微波的调制来实现NV色心的自旋操控。

鉴于ASG、AWG的重要性，国仪量子相继推出了任意序列发生器ASG-GT50-C和任意波形发生器AWG4100两款产品分别实现以上功能。

加上先前发布的温度控制仪CYTC100，四款产品组成了国仪量子的量子测控系列。

国仪量子的量子测控系列产品，经过子公司国仪海聚转化升级后已经适用于科学仪器、医疗仪器、食品安全仪器、新零售终端、智能充电桩等多个领域的主控系统，并多家行业代表性企业提供了工业主控板卡产品和技术服务。

2018年9月，安徽智佳科技与国仪量子签下了两年约6600万元工业主控板卡的订单，金额相当于国内大部分量子初创企业数年的营业收入。

凭借优异的性能，国仪量子测控系列产品远销海外。2018年12月，公司的“量子态读出与控制一体机”产品顺利交付给德国Mainz大学。包括了50ps任意序列发生器（ASG）和量子态控制与读出系统（CRS）。

除了量子测控系列产品，当年杜江峰团队遭遇国外厂商坐地起价的电子顺磁共振谱仪，也在2018年取得突破。在10月举办的“2018国仪量子EPR产品发布会”上，推出了中国首台商用脉冲式电子顺磁共振波谱仪EPR100，填补国内空白。

该谱仪具有国际领先的微波脉冲产生技术，原创性的复杂脉冲调制功能，可实现多种复杂的脉冲实验，能产生500瓦高功率、高相位稳定性的微波脉冲，微波脉冲的时间分辨率为50ps。

中科院微观磁共振重点实验室从2009年开始进行谱仪的自主研发，历时10余年的研究最终在国仪量子完成产业化。在微波脉冲产生、高精度时序控制器、任意波形发生器、探头设计等核心技术上，持有多项专利。

脉冲式电子顺磁共振波谱仪EPR100

随后，国仪量子又推出了中国首款商用X波段连续波电子顺磁共振谱仪EPR200，用于检测含有未成对电子的物质，是进行物质组成和结构分析的工具，在生物、化学、医学、工农业生产活动中具有重要应用价值。

此外，结合金刚石探针制备技术和高保真度量子自旋态调控技术，国仪量子推出了一款量子钻石单自旋谱仪，这是一台基于NV色心的以自旋磁共振为原理的量子实验平台，通过控制光、电、磁等基本物理量，实现对钻石中氮-空位（NV色心）发光缺陷的自旋进行量子操控与读出。

与传统顺磁共振、核磁共振相比，它具有初态是量子纯态，自旋量子相干时间长，量子操控能力强大，量子塌缩测量实验结果直观等优势。可实现纳米级尺度磁场、电场、温度的量子精密测量。

除了以上三款谱仪，国仪量子还有两款功能强大的显微镜——量子钻石原子力显微镜和扫描电子显微镜。

量子钻石原子力显微镜（QDAFM）是一台基于NV色心和AFM扫描成像技术的量子精密测量仪器。可实现磁学性质的定量无损成像，具有纳米级的高空间分辨以及单个自旋的超高探测灵敏度，是发展和研究高密度磁存储、自旋电子学、量子技术应用等的新技术。

QDAFM主要应用于细胞原位成像和拓扑磁结构表征。利用其高空间分辨率特性，研究人员观测到了细胞内部存在于细胞器中的铁蛋白，分辨率达到了10纳米。而传统的磁共振成像技术使用磁感应线圈作为传感器，空间分辨率极限在微米以上，无法进行细胞内分子尺度的成像。

今年5月，根据安徽省科学家企业家协会科技成果评价中心对QDAFM的评价，认为该项目成果达到国际领先水平。

2019年11月，国仪量子再次发布新品——扫描电子显微镜SEM3000系列产品，这是一款使用钨灯丝的高性能扫描电子显微镜，分为标准版和专业版。标准版SEM3000观察亚微米级的微观结构，放大倍数可达20000倍。其分辨率优于25nm，适用于生产品质控制及样品筛选，适合传统光学显微镜无法满足需求的用户。

专业版扫描电镜SEM3000S的放大倍数可达150000倍，分辨率优于10nm。满足了目前很多工业生产、生物医学、认证检测等行业以及一些科研单位对材料微观结构和微观形貌观测及分析的需求。

扫描电镜SEM3000(左)和扫描电镜SEM3000S（右）

一个月后，国仪量子首台扫描电子显微镜SEM3000发往上海微技术工业研究院，交付客户使用，正式扣开了国内市场的大门。今年疫情期间，面对市场上鱼龙混杂的口罩产品，国仪量子面向全国质监部门免费开放电镜检测服务。作为相关部门辨别口罩使用寿命和过滤性能的参考依据。

国仪量子推出的多款仪器，填补了国内空白。随着量子技术在经济社会中产生越来越重要的影响，国仪量子也开始重视量子教育工作，于2019年推出全球首款面向大众的金刚石量子计算教学机和基于该产品的量子计算实验课堂整体解决方案。

金刚石量子计算教学机

该教学机是一台基于金刚石中NV色心和自旋磁共振为原理，通过控制激光、微波、磁场等物理量，对NV色心的自旋进行量子操控和读出，从而实现量子计算功能的教学仪器。产品具有可用于通用量子计算的两比特，可以进行量子比特演示、量子逻辑门操作、量子叠加态演化和经典量子算法演示。

金刚石量子计算教学机在室温大气条件下运行，无需低温真空环境，使得设备有着几乎为零的运行成本，桌面型的设计让它能适应各种不同的教学环境，无论是课堂还是实验室，都能轻松进行量子力学与量子计算实验教学。

目前该产品已成功交付至多个国内高校，其中2019年10月和11月在深圳大学和南京大学分别开设基于金刚石量子计算教学机的量子计算实验课程。这些率先开设量子计算实验课程的高校已然在未来技术学院建设上领先一步。

三年时间，国仪量子推出了脉冲式电子顺磁共振波谱仪、量子钻石原子力显微镜、扫描电子显微镜等科学仪器，和发展了量子态控制与读出系统、任意序列发生器、任意波形发生器等量子传感核心器件。2018年12月，国仪量子完成A轮融资，投前估值人民币10亿元，并在杜江峰的家乡成立了无锡量子感知研究所。

在合肥高新区2019年高成长企业发布会上，国仪量子荣获“潜在独角兽企业”称号，潜在独角兽企业是指成立5年以内，未上市且融资后估值达1亿美元，具有颠覆式创新、爆发式成长、竞争优势突出、未来产值较高的，具有成为独角兽企业潜质的企业。

国仪量子在推动产业化方面不遗余力，其制定的《固态量子材料自旋信息测量仪》企业标准于2019年12月20日正式实施。这是国内首个面向量子精密测量领域产品的企业标准。

今年5月，安徽省发布新型基础设施建设领域技术产品服务目录。首批目录共896项，主要包括5G、人工智能、工业互联网、数据中心、超算中心、物联网等领域，其中国仪量子及其子公司共8项技术产品服务入选。

在量子技术领域，国仪量子走在了前列，安徽也走在了前列。从去年开始，国仪量子牵头了科技部973项目——固态量子材料自旋信息测量仪的研制及应用开发，旨在研发国内首台固态量子材料自旋信息测量仪，培养一支高端科研仪器工程化和产业化团队，为振兴国家高端仪器装备产业添砖加瓦。

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。