英特爾首款低溫量子計算控制芯片細(xì)節(jié)曝光

2019年12月11日，Intel研究院宣布推出代號為“Horse Ridge”的首款低溫控制芯片，實現(xiàn)了對多個量子位的控制，可加快全棧量子計算系統(tǒng)的開發(fā)步伐，堪稱量子實用性道路上的一個重要里程碑。

2020年2月18日，Intel研究院聯(lián)合QuTech(荷蘭代爾夫特理工大學(xué)與荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)院聯(lián)合創(chuàng)立)，在舊金山舉辦的ISSCC 2020年國際固態(tài)電路會議上發(fā)布了一份研究報告，首次披露了全新低溫量子控制芯片“Horse Ridge”的諸多關(guān)鍵技術(shù)特點。

基于這些能力，Intel解決了構(gòu)建強大量子系統(tǒng)所面臨的一系列重大挑戰(zhàn)，大大增強了量子實用性，包括可擴展性、靈活性、保真度。

Intel強調(diào)，落實量子實用性是一場漫長的馬拉松，而量子研究界目前才剛剛跑完這場馬拉松的頭一公里。要想將量子計算應(yīng)用于實際問題，就必須能擴展到數(shù)千個量子位，同時還要控制這些量子位，并保證高保真度。

Horse Ridge使用高度集成的SoC片上系統(tǒng)來加快設(shè)置速度，極大地簡化了當(dāng)前運行量子系統(tǒng)所需的復(fù)雜控制電子設(shè)備，并改進了量子位性能，同時還使系統(tǒng)能夠高效擴展到量子計算所需的更多量子位，以便解決實際存在的現(xiàn)實應(yīng)用問題。

Intel研究院首席工程師Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片

Horse Ridge關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)：

- 可擴展性：

采用Intel 22nm FFL(FinFET低功耗) CMOS工藝制造，集成式SoC設(shè)計，將四個RF射頻頻道集成在一個設(shè)備之中。

利用“頻率復(fù)用”技術(shù)，每一個頻道可以控制多達32個量子位。該技術(shù)將多路基帶信號調(diào)制到一系列不重疊的頻帶上，每個頻帶用來傳送單獨的信號。

利用這四個頻道，Horse Ridge可望通過單個設(shè)備控制多達128個量子位，顯著減少所需的電纜和機架儀表數(shù)量。

- 保真度：

量子位數(shù)量的增加會帶來其他問題，對量子系統(tǒng)容量和運行提出挑戰(zhàn)，潛在影響之一就是量子位保真度和性能的下降。

Horse Ridge優(yōu)化了頻率復(fù)用技術(shù)，可以支持系統(tǒng)擴展，并減少“相移”錯誤。相移是指在不同頻率控制多個量子位時出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，會導(dǎo)致量子位之間的串?dāng)_。

Horse Ridge使用的多個頻率可以高精度“調(diào)諧”，使量子系統(tǒng)在用同一射頻線路控制多個量子位時，能夠適應(yīng)并自動校正相移，提高量子門保真度。

- 靈活性：

Horse Ridge可以覆蓋很寬的頻率范圍，能夠控制超導(dǎo)量子位(傳輸子)和自旋量子位。

傳輸子的頻率通常在6-7GHz左右，自旋量子位頻率則為13-20GHz左右。

Intel正在研究硅自旋量子位，有可能在高達1開爾文(零下272.15攝氏度)的溫度下工作。

有了這項研究奠定的基礎(chǔ)，Intel有望成功集成硅自旋量子位器件和Horse Ridge的低溫控制器，從而將量子位和控制器件集成到一個精簡封裝中。

Intel研究院量子硬件總監(jiān)Jim Clarke表示：“如今，量子研究人員只用到少量的量子位。他們使用的是規(guī)模較小、定制化的系統(tǒng)，有著復(fù)雜的控制和互連機制。Intel Horse Ridge大大降低了這種復(fù)雜性。為了實現(xiàn)量子實用性需要數(shù)千個量子位，而通過系統(tǒng)性地將規(guī)模擴展至數(shù)千個量子位，我們正繼續(xù)穩(wěn)步推進，讓商業(yè)上可行的量子計算在未來成為現(xiàn)實。”

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