英特爾和QuTech披露首款低溫量子計(jì)算控制芯片“Horse Ridge”細(xì)節(jié)

英特爾研究院聯(lián)合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），在舊金山舉辦的2020年國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上發(fā)布了一份研究報(bào)告，概述了其全新低溫量子控制芯片Horse Ridge的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)。該報(bào)告揭示了Horse Ridge的關(guān)鍵技術(shù)能力，這些能力為強(qiáng)大量子系統(tǒng)的構(gòu)建解決了一系列重大挑戰(zhàn)，使該系統(tǒng)能夠體現(xiàn)量子實(shí)用性：可擴(kuò)展性、靈活性和保真度。

英特爾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(jī)制。英特爾的Horse Ridge大大降低了這種復(fù)雜性。為了實(shí)現(xiàn)量子實(shí)用性需要數(shù)千個(gè)量子位，而通過系統(tǒng)性地將規(guī)模擴(kuò)展至數(shù)千個(gè)量子位，我們正繼續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)，讓商業(yè)上可行的量子計(jì)算在未來成為現(xiàn)實(shí)。”

英特爾研究院首席工程師Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片。新款的低溫控制芯片將加快全堆棧量子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展，在商業(yè)上可行的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程中，這是一個(gè)重要里程碑。（圖片來源：Walden Kirsch/英特爾公司）

落實(shí)量子實(shí)用性是一場(chǎng)漫長(zhǎng)的馬拉松，而量子研究界目前才剛剛跑完這場(chǎng)馬拉松的頭一公里。要想將量子計(jì)算應(yīng)用于實(shí)際問題，就必須能擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)量子位，同時(shí)還要控制這些量子位，并保證高保真度。Horse Ridge使用高度集成的片上系統(tǒng)（SoC）來加快設(shè)置速度，極大地簡(jiǎn)化了當(dāng)前運(yùn)行量子系統(tǒng)所需的復(fù)雜控制電子設(shè)備，并改進(jìn)了量子位性能，同時(shí)還使系統(tǒng)能夠高效擴(kuò)展到量子計(jì)算所需的更多量子位，以便解決實(shí)際存在的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用問題。

研究報(bào)告中包括的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)：

可擴(kuò)展性：采用英特爾22nm FFL（FinFET低功耗）CMOS技術(shù)部署的集成式SoC設(shè)計(jì)，將4個(gè)射頻（RF）頻道集成到一個(gè)設(shè)備之中。利用“頻率復(fù)用”技術(shù)，每一個(gè)頻道可以控制多達(dá)32個(gè)量子位。該技術(shù)將多路基帶信號(hào)調(diào)制到一系列不重疊的頻帶上，每個(gè)頻帶用來傳送單獨(dú)的信號(hào)。

利用這4個(gè)頻道，Horse Ridge可望通過單個(gè)設(shè)備控制多達(dá)128個(gè)量子位，與以往相比能顯著減少所需的電纜和機(jī)架儀表數(shù)量。

保真度：量子位數(shù)量的增加會(huì)其他問題，對(duì)量子系統(tǒng)容量和運(yùn)行提出挑戰(zhàn)。這方面的潛在影響之一就是量子位保真度和性能的下降。在開發(fā)Horse Ridge的過程中，英特爾優(yōu)化了頻率復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)可以支持系統(tǒng)擴(kuò)展，并減少“相移”錯(cuò)誤。相移是指在不同頻率控制多個(gè)量子位時(shí)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致量子位之間的串?dāng)_。

Horse Ridge使用的多個(gè)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(gè)量子位時(shí)，能夠適應(yīng)并自動(dòng)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（稱為傳輸子）和自旋量子位。傳輸子的頻率通常在6千兆赫（GHz）至7千兆赫左右，而自旋量子位頻率則為13千兆赫至20千兆赫左右。

英特爾正在研究硅自旋量子位，這種量子位有可能在高達(dá)1開爾文的溫度下工作。有了這項(xiàng)研究奠定的基礎(chǔ)，英特爾有望成功集成硅自旋量子位器件和Horse Ridge的低溫控制器，從而創(chuàng)建一種解決方案，將量子位和控制器件集成到一個(gè)精簡(jiǎn)封裝中。

英特爾參加ISSCC大會(huì)的日程安排： 在2月18日星期二太平洋時(shí)間13:30 的ISSCC第19場(chǎng)分會(huì)上，英特爾和QuTech將通過一篇研究報(bào)告展示他們的合作研究成果，該報(bào)告題為“用于量子計(jì)算機(jī)22nm FinFET技術(shù)中4×32頻率復(fù)用自旋量子位/傳輸子的可擴(kuò)展Cryo-CMOS 2-to-20GHz數(shù)字密集型控制器”。