英特爾Horse Ridge II簡化量子控制系統(tǒng)的復雜性

與傳統(tǒng)計算機相比，量子計算能夠以更快的速度解決某些復雜問題。然而，現(xiàn)有的互連和電子控制方式成為了制約量子計算進入商用的主要瓶頸。

圖1 Horse Ridge II及其與稀釋制冷機集成的近距離照片

在本周舉行的 國際固態(tài)電路會議(ISSCC) 上，英特爾將公布該公司第二代低溫量子控制芯片 Horse Ridge II 的技術細節(jié)。這款芯片凝結了英特爾集成電路設計、英特爾研究院和技術開發(fā)團隊多個領域的專業(yè)技術和知識。

目前，量子計算機只能在毫開爾文范圍（僅比絕對零度高出幾分之一度）內運行。但是作為英特爾量子計算研究的基礎，硅自旋量子位可以在一開爾文或更高溫度下工作，這將大幅降低量子系統(tǒng)制冷的難度。英特爾的低溫控制研究致力于讓控制量子位和硅自旋量子位實現(xiàn)相同的操作溫度水平。

Horse Ridge II特點

Horse Ridge II的設計基于第一代SoC產(chǎn)生射頻脈沖以操縱量子位狀態(tài)的能力，也稱為量子位驅動（Qubit Drive）, 并引入了額外的功能，包括讀取量子位狀態(tài)和同時控制多個量子位柵極電位。

●   Horse Ridge II是高度集成的低溫SoC，由超過1億個晶體管組成，使用了英特爾22納米（nm）低功耗FinFET技術。其功能和性能已在4開爾文條件下完成驗證。

●   和上一代一樣，Horse Ridge II利用頻率復用（frequency multiplexing）來減少用于量子位驅動和讀出的射頻（RF）電纜的數(shù)量。一個具有集成指令集的數(shù)字密集型架構可使低溫芯片完美地集成到現(xiàn)有的量子控制堆棧中。

■   可驅動多達16個自旋量子位，并具有直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）架構和集成數(shù)字濾波器以減輕串擾，目標輸出頻率范圍為11至17 GHz。

■   集成的微控制器在實現(xiàn)控制指令集和執(zhí)行算法方面具有更大的靈活性。

●   通過使用RF單電子晶體管反射儀，Horse Ridge II可同時讀取多達6個量子位的狀態(tài)。

●   該控制芯片還具有22個高速數(shù)字模擬轉換器（DAC），以同時控制多個量子位的柵極電位。以前這些DAC是放置在室溫下的獨立電子器件，但現(xiàn)在可以通過導線進入到低溫制冷機中以控制量子芯片上的柵極電位。

主要優(yōu)勢：

●   集成量子位讀出可以實現(xiàn)片上、低延遲量子位狀態(tài)檢測，無需存儲大量數(shù)據(jù)，從而減少內存和能源的使用。

●   同時控制多個量子位柵極電位的能力對于有效的量子位讀出以及多個量子位糾纏和操作至關重要。

●   通過在集成電路中運行可編程微控制器，Horse Ridge II在執(zhí)行三種控制功能方面提供高度的靈活性并實現(xiàn)復雜協(xié)調。

●   Horse Ridge II有可能取代傳統(tǒng)解決方案中使用的所有高速電子器件，為可擴展的量子計算機鋪平道路。

輔助技術插圖如下：

圖2 Horse Ridge II低溫控制器的簡化框圖，并顯示了與量子位芯片的預期連接

圖3 上圖：在4K測得的PA和基帶VGA在不同增益設置下的量子位驅動器輸出功率。顯示了<-50dBc IM3（兩個音調）的最大輸出功率。下圖：隨著能量增加，一系列高斯脈沖的時域捕獲

圖4 性能總結。所有測量都是在4開爾文溫度下完成