英特爾發(fā)布Horse Ridge芯片 加快量子計(jì)算系統(tǒng)開發(fā)

來(lái)源：英特爾

英特爾研究院發(fā)布了代號(hào)為“Horse Ridge”的首款低溫控制芯片，以加快全棧量子計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)步伐。作為量子實(shí)用性道路上的一個(gè)重要里程碑， Horse Ridge實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)量子位的控制，并為向更大的系統(tǒng)擴(kuò)展指明了方向。

基于英特爾22納米FinFET技術(shù)，英特爾與QuTech（由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)與荷蘭國(guó)家應(yīng)用科學(xué)院聯(lián)合創(chuàng)立）共同開發(fā)了Horse Ridge。控制芯片的制造在英特爾內(nèi)部完成，將極大地提高英特爾在設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化商業(yè)上可行的量子計(jì)算機(jī)的能力。

圖：英特爾研究院首席工程師Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片。這款全新低溫控制芯片將加快全棧量子計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)步伐，標(biāo)志著商業(yè)上可行的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到新的里程碑。

英特爾量子硬件總監(jiān)Jim Clarke 表示：

“雖然人們非常重視量子位本身，但同時(shí)控制多個(gè)量子位仍是業(yè)界的一大挑戰(zhàn)。英特爾認(rèn)識(shí)到，量子控制是大規(guī)模商用量子系統(tǒng)開發(fā)過程中的核心環(huán)節(jié)，這也是英特爾投資量子糾錯(cuò)和控制技術(shù)的原因。通過Horse Ridge，英特爾開發(fā)了一個(gè)可擴(kuò)展的控制系統(tǒng)，能夠大大加快測(cè)試速度并實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的潛力?！?/p>

在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的功能和潛力的競(jìng)賽中，研究人員廣泛關(guān)注量子位的制造，構(gòu)建測(cè)試芯片，以證明以疊加方式運(yùn)行的少數(shù)量子位就能指數(shù)級(jí)提高計(jì)算能力。但在早期的量子硬件開發(fā)過程中，如在英特爾硅自旋量子位和超導(dǎo)量子位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試和表征中，英特爾發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模量子計(jì)算的主要瓶頸是互連和控制電子設(shè)備。憑借Horse Ridge，英特爾推出了一個(gè)精巧的解決方案，它能夠控制多個(gè)量子位，并為系統(tǒng)將來(lái)擴(kuò)展到更多的量子位指明了方向，這是實(shí)現(xiàn)量子實(shí)用性道路上的一個(gè)重要里程碑。

量子計(jì)算機(jī)有望解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的問題，因?yàn)榱孔游豢梢酝瑫r(shí)以多種狀態(tài)存在，借助這一量子物理學(xué)現(xiàn)象，量子位能夠同時(shí)進(jìn)行大量計(jì)算，從而大大加快了解決復(fù)雜問題的速度。如果說展示量子實(shí)用性是一場(chǎng)馬拉松，那么量子研究領(lǐng)域才剛剛跑完一英里。量子研究領(lǐng)域應(yīng)以量子實(shí)用性為基準(zhǔn)，確定一個(gè)量子系統(tǒng)是否能夠提供顛覆性的性能，從而解決現(xiàn)實(shí)世界的問題。英特爾在量子計(jì)算上的投資涵蓋了整個(gè)硬件和軟件堆棧，旨在開發(fā)一個(gè)實(shí)用、商業(yè)上可行的量子系統(tǒng)，并使其投入商用。

目前，研究人員一直致力于構(gòu)建小規(guī)模的量子系統(tǒng)，以證明量子設(shè)備的潛力。在這些嘗試中，研究人員依靠現(xiàn)有的電子工具和高性能計(jì)算機(jī)架級(jí)儀器，將低溫冰箱內(nèi)的量子系統(tǒng)與調(diào)節(jié)量子位性能并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程的傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備相連。這些設(shè)備通常是定制設(shè)計(jì)以控制單個(gè)量子位，如果要控制量子處理器，則需要數(shù)百根連接線進(jìn)出冰箱。然而，這種針對(duì)每個(gè)量子位的廣泛控制布線將會(huì)束縛量子系統(tǒng)的能力，使其無(wú)法擴(kuò)展到證明量子實(shí)用性所需要的成百上千個(gè)量子位，更不用說商業(yè)可行的量子解決方案所需的數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位了。

通過Horse Ridge，英特爾從根本上簡(jiǎn)化了運(yùn)行量子系統(tǒng)所需的控制電子設(shè)備。通過用高度集成的系統(tǒng)芯片（SoC）來(lái)代替這些龐大的儀器，將簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并允許使用復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)加快設(shè)置時(shí)間、改善量子位性能，并使系統(tǒng)能夠高效擴(kuò)展到更多的量子位。Horse Ridge是高度集成的混合信號(hào)系統(tǒng)芯片，它將量子位控制引入量子冰箱中，以盡可能靠近量子位本身。Horse Ridge有效地降低了量子控制工程的復(fù)雜性，從進(jìn)出冰箱的數(shù)百根電纜簡(jiǎn)化到在量子設(shè)備附近運(yùn)行的單個(gè)一體化套件。

圖：英特爾量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室中的量子計(jì)算冰箱內(nèi)部照片，該實(shí)驗(yàn)室位于俄勒岡州希爾斯伯勒。

Horse Ridge被設(shè)計(jì)成一個(gè)射頻（RF）處理器，用來(lái)控制在冰箱里運(yùn)行的量子位，其編程指令與基本量子位的操作相對(duì)應(yīng)，這些指令將被轉(zhuǎn)換成可操縱量子位狀態(tài)的電磁微波脈沖。

Horse Ridge控制芯片以俄勒岡州最冷的一個(gè)地區(qū)來(lái)命名，能夠在大約4開爾文的低溫下工作。直觀來(lái)說，4開爾文僅比絕對(duì)零度高一點(diǎn)點(diǎn)，其溫度之低，幾乎讓原子停止運(yùn)動(dòng)。隨著英特爾對(duì)硅自旋量子位的研究不斷取得進(jìn)展，這一成果尤其令人興奮，因?yàn)楣枳孕孔游挥型诼愿哂诋?dāng)前量子系統(tǒng)所需的溫度下工作。

如今，量子計(jì)算機(jī)在毫開爾文溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，這只比絕對(duì)零度高幾分之一度。但是硅自旋量子位的特性使其能夠在1開爾文或更高溫度下工作，這將極大地減少冷卻量子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。隨著研究不斷取得進(jìn)展，英特爾的目標(biāo)是讓低溫控制和硅自旋量子位在相同的溫度下工作。英特爾能夠充分利用在先進(jìn)封裝和互連技術(shù)方面的專長(zhǎng)，創(chuàng)建一個(gè)將量子位和控制器件集成到精簡(jiǎn)封裝中的解決方案。