量子計算商用里程碑:英特爾推出馬嶺低溫控制晶片

與非網 發佈 2020-02-27T17:53:00+00:00

實現商業規模量子計算的真正瓶頸HorseRdige 晶片基於英特爾 22 納米 FinFET 工藝,由英特爾與 QuTech共同開發。 Transmon 通常在 6-7 GHz 左右運行,Spin Qubits 則是 13-20 GHz 左右。

前言:

新的低溫控制晶片將加速全堆棧量子計算系統的發展,標誌著商業上可行的量子計算機的發展的一個里程碑。

量子計算雖好但難度也高

雖然量子計算機算力驚人,能夠在數分鐘內創造最棒的傳統計算機「幾千年」才能提供的算力。

但從各家透露出的原型圖來看,無不是塊頭巨大、上百根控制線密布的龐然大物。這一現狀從今天起有望得到根本性的轉變。

量子計算在現階段的挑戰在於,它只能在接近冰點的溫度下工作。而英特爾正在試圖改變這一狀況。

英特爾將量子實用所需的量子比特擴展到數千位,從而在使商業上可行的量子計算成為現實方面取得了穩步進展。

英特爾研究院發布首個代號為「馬嶺」的低溫控制晶片,以加速全堆棧量子計算系統的發展。作為量子實用化道路上的一個重要里程碑,馬嶺實現了對多個量子位的控制,並為向更大系統的擴展指明了方向。

實現商業規模量子計算的真正瓶頸

Horse Rdige 晶片基於英特爾 22 納米 FinFET 工藝,由英特爾與 QuTech(由荷蘭代爾夫特理工大學與荷蘭國家應用科學院聯合創立)共同開發。

控制晶片的製造在英特爾內部完成,將極大地提高英特爾在設計、測試和優化商業上可行的量子計算機的能力。這款全新低溫控制晶片將加快全棧量子計算系統的開發步伐,標誌著商業上可行的量子計算機發展到新的里程碑。

英特爾認識到,量子控制是大規模商用量子系統開發過程中的核心環節,這也是英特爾投資量子糾錯和控制技術的原因。

通過 Horse Ridge,英特爾開發了一個可擴展的控制系統,能夠大大加快測試速度並實現量子計算的潛力。

在實現量子計算機的功能和潛力的競賽中,研究人員廣泛關注量子位的製造,構建測試晶片,以證明以疊加方式運行的少數量子位就能指數級提高計算能力。

但在早期的量子硬體開發過程中,如在英特爾矽自旋量子位和超導量子位系統的設計、測試和表征中,英特爾發現實現商業規模量子計算的主要瓶頸是互連和控制電子設備。

憑藉 Horse Ridge,英特爾推出了一個精巧的解決方案,它能夠控制多個量子位,並為系統將來擴展到更多的量子位指明了方向,這是實現量子實用性道路上的一個重要里程碑。

解決在絕對零度工作的難題

目前,研究人員一直致力於構建小規模的量子系統,以證明量子設備的潛力。在這些嘗試中,研究人員依靠現有的電子工具和高性能計算機架級儀器,將低溫冰箱內的量子系統與調節量子位性能並對系統進行編程的傳統計算設備相連。

然而,這種針對每個量子位的廣泛控制布線將會束縛量子系統的能力,使其無法擴展到證明量子實用性所需要的成百上千個量子位,更不用說商業可行的量子解決方案所需的數百萬個量子位了。

Horse Ridge 被設計成一個射頻(RF)處理器,用來控制在冰箱裡運行的量子位,其編程指令與基本量子位的操作相對應,這些指令將被轉換成可操縱量子位狀態的電磁微波脈衝。

Horse Ridge 是一款高度集成、混合信號的低溫片上系統(SoC),矽片面積為 4 x 4mm2,採用英特爾 22nm FFL (FinFET 低功耗)CMOS 技術。HorseRidge 將靜態隨機存取存儲器(SRAM)、數字核心和模擬 / 射頻(RF)電路集成到單個封裝中,用微波脈衝操縱量子系統中量子位的狀態。

通過 Horse Ridge,英特爾從根本上簡化了運行量子系統所需的控制電子設備。通過用高度集成的系統晶片(SoC)來代替這些龐大的儀器,將簡化系統設計,並允許使用複雜的信號處理技術來加快設置時間、改善量子位性能,並使系統能夠高效擴展到更多的量子位。

Horse Ridge 晶片優勢

縮小了運行量子系統所需的外形尺寸(晶片和 PCB 大小)並減少了所需的功率。能夠擴展和控制更多的量子位(多達 128 個量子位)。

Horse Ridge 高度靈活的脈衝控制能力降低了量子位之間的串擾,並提高了整體量子門保真度。

該晶片可以自動校正相移(使用同一射頻線路控制不同頻率的多個量子位時會發生這一現象),並在每次控制電子器件脈衝後更新數字代碼。

Horse Ridge 技術細節

可擴展性方面:集成式 SoC 設計採用了 22nm FinFET 低功耗 CMOS 技術實現,可將四個射頻(RF)通道集成到單個設備中。

藉助『頻分復用』技術,每通道最多可控制 32 個量子比特。這項技術將可用的總帶寬劃分為一系列不重疊的頻帶,每個頻帶均可承載單獨的信號。

通過這四個通道,Horse Ridge 能讓單個設備控制多達 128 個量子比特,從而大幅減少了此前所需的電纜和機架儀器的數量。

保真度方面:量子比特數的增加,會引發與量子系統容量和運行等相關的其它問題,尤其是保真度與性能的下降。

在 Horse Ridge 的開發過程中,英特爾優化了多路復用技術,使系統能伸縮並減少『相移』(phase shift)導致的錯誤。

當以不同的頻率控制諸多量子比特時,就會發生這種現象,導致量子比特之間的串擾。

工程師可以高精度地調節晶片利用的各種頻率,使量子系統能夠適應和自動校正通過同一條 RF 線來控制多個量子比特時的相移,從而提高量子比特門的保真度。

靈活性方面:Horse Ridge 能夠覆蓋相當寬的頻率範圍,從而控制超導量子比特(transmons)和自旋量子比特(spin qubits)。

Transmon 通常在 6-7 GHz 左右運行,Spin Qubits 則是 13-20 GHz 左右。

結尾:巨頭推動量子計算向前

在量子計算的研究上,英特爾與谷歌、IBM 同屬於第一梯隊,不過不同於後兩者在該領域的高調行事和各種碰撞。

而英特爾顯得不緊不慢,一直低調進行研究,以把超導量子計算測試晶片擴展到更高的量子位數,並實現量子實用性等。

谷歌去年曾宣布實現量子霸權,雖然該論文很快就被撤下,但是不得不說正是因為各大公司的努力,量子計算研究發展才會如此飛速。

綜上所述,該領域還需要積極進行探索,而哪方能夠取得更大的收穫,美股研究社也將持續關注。

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