Unternehmensfallvorstellung: Yupan Liangzhi – Ingenieurpraxis zur chipbasierten Integration von Ionenfallen-Quantencomputern | 36Kr 2026 Industrie-Zukunftskongress

Die Industrie-Zukunftskonferenz 2026 konzentriert sich auf die Chancen im neuen Zyklus und erkundet gemeinsam die Zukunft der Industrie sowie die Entstehung des „Lichts Chinas“. Zeng Ruqi, Geschäftsführender Direktor von Yupan Quantum Intelligence, erläuterte das Thema der ingenieurtechnischen Umsetzung der Integration von Quantenintelligenz im Bereich des Ionenfallen-Quantencomputings und zerlegte tiefgreifend die Kernherausforderungen, technischen Pfade und industriellen Logiken, die diese technische Route von dem Labor hin zur Skalierung durchläuft. Wenn die Industriinvestitionen in die Tiefe gehen und Kapital, Technologie und Industrie sich schneller integrieren, wie kann das Quantencomputing den Sprung von der „wissenschaftlichen Einrichtung“ zum „Computer“ schaffen? Yupan Quantum Intelligence gibt die Antwort, die die ingenieurtechnische Umsetzung der integrierten Quantenintelligenzberechnung mit Methoden der Halbleiterindustrie vorantreibt.

Redner: Zeng Ruqi, Geschäftsführender Direktor von Yupan Quantum Intelligence

Zeng Ruqi: Sehr geehrte Gäste, liebe Kollegen, hallo zusammen! Es ist mir eine große Ehre, die Gelegenheit zu haben, mit Ihnen zu teilen.

Heute möchte ich ein sehr konkretes Problem teilen: Welche ingenieurtechnischen Herausforderungen gibt es, wenn die Ionenfallen-Technik das Labor verlassen soll, welche Arbeiten führen wir derzeit durch, und warum führen wir dieses Vorhaben in Yizhuang durch?

01 Ionenfallen: Von „einem einzelnen guten Qubit“ zum „skalierten Computer“

Die Ionenfallen-Technik ist eine der derzeitigen Haupttechnikrouten in der Industrie, die ingenieurtechnisch validiert wurde und weithin als potenziell für die Entwicklung zu großflächigem universellem fehlerkorrigierendem Quantencomputing angesehen wird.

Das sogenannte Ionen-Qubit ist ein geladenes Atom, das durch ein elektrisches Feld im Ultrahochvakuum schwebt, und die Quanteninformation wird durch Auswahl spezifischer Energieniveaus des Atoms kodiert.

Ihre besonderen Vorteile ergeben sich aus einer einfachen Tatsache: Ihre Qubits sind natürliche Atome an sich.

Bei der ingenieurtechnischen Umsetzung bringt dieser Ausgangspunkt drei Werte mit sich:

▍ Qubits sind von Natur aus konsistent.

Die physikalischen Eigenschaften jeder Art von Atom in der Natur sind völlig identisch, das heißt die Konsistenz und Wiederholbarkeit von Qubits werden auf natürliche Weise durch physikalische Gesetze gewährleistet; daher gibt es bei Ionen-Qubits keine nanoskaligen Herstellungsfehler wie bei Festkörperbauelementen, was bedeutet, dass wir keine separate Kalibrierung und Kompensation für jedes Qubit durchführen müssen. Obwohl in realen Systemen noch Systemparameter wie lokales Magnetfeld, Antriebsstärke, elektrisches Potenzial und Bewegungsmuster kalibriert werden müssen, wird die ingenieurtechnische Komplexität, die durch die Diskretion von Bauelementen nach der Skalierung verursacht wird, erheblich reduziert.

▍ Lange Kohärenzzeit.

Ionen weisen von Natur aus ausgezeichnete Quantenkohärenzeigenschaften auf; in veröffentlichten Literaturen kann die Quantenspeicherzeit von einzelnen Ionen unter bestimmten experimentellen Bedingungen bereits Minuten- oder sogar Stundenordnung erreichen. Je länger die Kohärenzzeit ist, desto größer ist das Zeitfenster für Quantenlogikoperationen, Rückkopplungssteuerung und Quantenfehlerkorrektur, was auch ein wichtiger Grund dafür ist, dass Ionenfallen sehr gut für die Entwicklung von Hochfidelitätsberechnung und fehlerkorrigierendem Quantencomputing geeignet sind.

▍ Freundliche Betriebsbedingungen.

Ionen-Qubits selbst sind nicht auf eine Verdünnungskühlumgebung nahe dem absoluten Nullpunkt angewiesen und können auch bei Raumtemperatur betrieben werden; für niedrigeres Rauschen, höhere Vakuumqualität und Integration von Steuerelektronik verwendet das derzeitige Betriebssystem hauptsächlich eine Niedertemperatur-Vakuumplattform im Bereich von einigen Kelvin, und die entsprechende Lieferkette für Vakuum- und Kühlgeräte ist im Inland bereits sehr ausgereift.

Aber die eigentliche Herausforderung der Ionenfallen liegt nicht darin, „ob ein Qubit gut funktioniert“.

Wenn das System von hundert Qubits zu einer noch größeren Skalierung expandiert, wird das wirklich schwierige Problem: Wie können so viele leistungsstarke Ionen-Qubits tatsächlich zu einem Computer zusammengesetzt werden, der langfristig, stabil und effizient betrieben werden kann?

John Martinis, der letztjährige Preisträger des Nobelpreises für Physik, hat eine wichtige Ansicht vorgebracht: Das Quantencomputing muss ebenfalls seine eigene industrielle Revolution durchlaufen. Im Wesentlichen bedeutet dies, von wissenschaftlichen Einrichtungen im Labor schrittweise zu berechenbaren Systemen zu gelangen, die auf Halbleiterindustrie basieren, hergestellt, repliziert und kontinuierlich iteriert werden können.

Für die Ionenfallen-Technik bedeutet dies, dass der Schlüssel nicht mehr darin liegt, „wie viele Qubits derzeit demonstriert werden können“, sondern wie man das Quantenphysik-Berechnungssystem, das in der Vergangenheit auf großen optischen Plattformen, elektronischen Instrumenten und Vakuumsystemen verteilt war, schrittweise auf Chip-Integration und Integration von Quantenintelligenzsystemen umstellt, um eine Reihe von ingenieurtechnischen Problemen wie Verdrahtungsexplosion, Rauschen, Synchronisation, Latenz und komplexe Steuerung nach der Erweiterung des Umfangs zu lösen.

▍Von der „einzelnen Bühne“ zur skalierten Erweiterung per „Fließband“: QCCD-Architektur

Um viele Ionen-Qubits gemeinsam arbeiten zu lassen, muss zuerst die Frage „wie man sie organisiert“ beantwortet werden. Für die Skalierung von Ionenfallen gibt es eine sehr wichtige Architektur – QCCD (Quantum Charge-Coupled Device).

Ihr Kernidee lässt sich einfach so verstehen: Anstatt mehr Ionen alle in einer langen Kette zu drängen, um alle Berechnungen abzuschließen, wird das physikalische Berechnungssystem in verschiedene Funktionsbereiche unterteilt, z. B. Speicherbereich, Quantenlogikoperationsbereich, Auslesebereich, Beladungsbereich und Ionentransportkanäle. Bei der Berechnung werden die entsprechenden Ionen durch Steuerung des elektrischen Feldes in den angegebenen Bereich bewegt, um bestimmte Operationen abzuschließen.

Ein ingenieurtechnischer Vergleich: Das entspricht der Aufteilung einer immer größer werdenden „einzelnen Bühne“ in eine große Anzahl standardisierter „Arbeitsplätze“ und „Fließbänder“. Jeder lokale Bereich bleibt in einem leicht steuerbaren kleinen Umfang, und dann wird durch Ionentransport und Systemplanung ein großflächiges Quantenphysik-Berechnungssystem im Ganzen gebildet.

Dies ist auch die Kernarchitekturrichtung, die Yupan gewählt hat.

▍Nach QCCD beginnt das eigentliche schwierige Problem erst

QCCD löst das erste Problem der „Organisation einer großen Anzahl von Ionen“. Aber mit der weiteren Erweiterung des Ionenumfangs treten sofort neue ingenieurtechnische Probleme auf: Wie können Ionen schnell transportiert werden? Wie können eine große Anzahl von Elektroden angetrieben werden? Wie können immer mehr Steuerkanäle verdrahtet werden? Wie können verschiedene Bereiche synchronisiert werden? Wie kann die Echtzeitrückkopplung abgeschlossen werden? Wie kann das gesamte System automatisch kalibriert werden?

Daher ist die weitere Realisierung der tiefen Integration von Quantenchips, Nahsteuerungselektronik und klassischen Berechnungssystemen auf Basis der QCCD-Architektur der Forschungsschwerpunkt der Branche in den letzten Jahren.

Im Februar dieses Jahres veröffentlichte das Team der Technischen Universität Braunschweig in Deutschland seine Arbeit in der JSSC, die repräsentativ für diesen ingenieurtechnischen Trend ist: Das elektronische System zur Steuerung von Ionen-Qubits wird weiter auf die Chip-Integration im Niedertemperaturbereich ausgerichtet.

Der Gründer von Yupan wurde 2023 eingeladen, an der ingenieurtechnischen Anleitung für relevante deutsche Projekte teilzunehmen, und wir sind eines der ersten Forschungs- und Entwicklungsteams der Branche, das sich mit der Nahsteuerungselektronikintegration von QCCD befasst.

02 Ionenfallen mit Halbleitermethoden herstellen: Die ingenieurtechnische Praxis von Yupan Quantum Intelligence

„Yupan“ ist wie ein „Halbleiterwafer“. Was Yupan Quantum Intelligence derzeit tut, ist die Herstellung von Supercomputern mit „nativer Integration von Quantenintelligenz“ mit Methoden der Halbleiterindustrie.

Wir sind ein Team, das sich mit dem Kernziel der „Ingenieurtechnisierung“ zusammengeschlossen hat. Der Gründer ist ein nationales Talent im Bereich der Quantenintegrationschips. Das Team deckt die drei Richtungen integrierte Schaltkreise, Quantenphysik und fortgeschrittene Berechnung ab. Die Kernteammitglieder haben hauptsächlich den Forschungshintergrund der Mikroelektronik-Ingenieurtechnik. Von Januar 2024 bis heute haben wir die Tapeout-Validierung mehrerer Chips wie Niedertemperatur-Quantenmesssteuerung, Ionenfallen-QPU und Quanteninterkonnektion über Temperaturbereiche abgeschlossen, und nächstes Jahr werden wir einen Prototyp auf Basis unserer selbst entwickelten Chips vorstellen.

Unser Ziel ist es nicht, „eine größere wissenschaftliche Versuchseinrichtung herzustellen“, sondern den Quantencomputer in die Produktionslinie der Halbleiterindustrie zu bringen, um ein chipintegriertes Quantenintelligenz-Integrationsberechnungssystem zu schaffen, das getapet, repliziert und kontinuierlich iteriert werden kann.

Mit anderen Worten: Was wir derzeit tun, ist, die Quantenexperimentwissenschaftsprobleme, die in der Vergangenheit stark von der Erfahrung von Experimentatoren abhängen, schrittweise in ingenieurtechnische Forschungsprobleme zu verwandeln, die „simulierbar, gestaltbar, tapeout-fähig und testbar“ sind.

▍Ein konkretes Beispiel: Wie Ionen die „Kreuzung“ passieren

Nehmen wir die Optimierung eines sehr typischen Problems in QCCD – den „Ionentransport“, der einen großen Teil der Berechnungszeit des Quantenphysiksystems einnimmt – als Beispiel.

In großflächigen QCCD-Systemen umfasst die Ausführung von Quantenalgorithmen nicht nur das Quantengatter selbst, sondern auch eine große Anzahl von Ionenbewegungen, Überquerungen von Knoten, Neuanordnungen und mögliche Wiederabkühlprozesse. In einigen Algorithmen und Systemkonfigurationen nehmen diese Operationen einen beträchtlichen Teil der Ausführungszeit ein und werden allmählich zu einem wichtigen Faktor, der die Betriebseffizienz des Systems einschränkt.

Insbesondere wenn sich QCCD von einer eindimensionalen Struktur zu einer zweidimensionalen Struktur entwickelt, müssen Ionen häufig Kreuzstrukturen wie X-Knoten passieren, und die Bedeutung der Transporteffizienz wird immer höher. Bei klassischen Entwürfen besteht ein Überquerungsprozess normalerweise aus mehreren segmentierten Transportprozessen, wobei gleichzeitig Geschwindigkeit, Ionenstabilität und Anregung der Bewegung im Endzustand berücksichtigt werden müssen.

Unser Ansatz lautet , den Prozess des „Passierens einer Kreuzung“ nicht als mehrere isolierte Schritte zu betrachten, sondern den gesamten Überquerungsprozess als ein vollständiges zweidimensionales kontinuierliches dynamisches Problem systematisch zu definieren und zu gestalten.

Durch Systemdynamiksimulation optimieren wir direkt die Mehrkanal-Spannungswellenformen zwischen verschiedenen Elektroden, sodass die Ionen die Überquerung entlang der entworfenen Spur kontinuierlich abschließen und gleichzeitig die Anregung der Bewegung im Endzustand steuern. Unter unseren aktuellen Modellen und Randbedingungen zeigen die Simulationsergebnisse, dass die Überquerungseffizienz einen deutlichen Raum für Verbesserungen hat, und die relevanten Arbeitsergebnisse werden derzeit zur Veröffentlichung eingereicht.

Der eigentliche Wert dieser Arbeit liegt nicht nur darin, dass die Simulationstheorie nachweist, „um wie viel die einmalige Geschwindigkeit gesteigert wird“. Noch wichtiger ist, dass wir eine vollständige Kette von der „Simulationsvalidierung des Ionenfallensystems“ bis zur „Definition der Anforderungen an das echte Chipdesign“ aufgebaut haben – das ist das, was wir als Ingenieurtechnisierung verstehen.

Auf der Grundlage der Abschluss der Systemindikatorengestaltung, Leistungsimulation und Chipstrukturdefinition können unsere Mikroelektronik-Ingenieure übernehmen und die Chipherstellung und Systemintegration mit Methoden der Halbleiterindustrie realisieren.

▍ Ingenieurtechnische Innovation der Chip-Integration von Ionenfallen-QPU

Unsere ingenieurtechnischen Innovationen bei der Ionenfallen-QPU spiegeln sich hauptsächlich in vier Aspekten wider:

① Modulare Erweiterungsarchitektur

Auf Basis der QCCD-Architektur fertigen wir verschiedene Funktionseinheiten der Ionenfallen zu standardisierten Modulen mit hochkonsistenter Halbleitertechnik an, und realisieren dann den Pfadwechsel von Ionen zwischen verschiedenen Bereichen durch X-Knoten und Hochgeschwindigkeitstransportkanäle.

Auf diese Weise hängt die zukünftige Erweiterung des Umfangs von Ionen-Qubits nicht mehr vollständig von der Neugestaltung des einzelnen Chips ab, sondern kann mehr von der Replikation von Standardmodulen, der Konsistenz der Chipherstellung, dem Hochgeschwindigkeitstransport von Ionen und der systemweiten Planung abhängen.

Modularisierung beseitigt nicht die Routing-, Überlastungs- und Steuerungskomplexität in großflächigen Systemen, aber sie kann die ursprünglich stark gekoppelten Probleme strukturiert zerlegen, sodass die Erweiterung des Systemumfangs besser verwaltbar wird.

② Nah