英特爾和QuTech披露首款低溫量子計算控制芯片“Horse Ridge”細節

英特爾研究院聯(lián)合QuTech（由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)與荷蘭國家應用科學(xué)院聯(lián)合創(chuàng )立），在舊金山舉辦的2020年國際固態(tài)電路會(huì )議（ISSCC）上發(fā)布了一份研究報告，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)。該報告揭示了Horse Ridge的關(guān)鍵技術(shù)能力，這些能力為強大量子系統的構建解決了一系列重大挑戰，使該系統能夠體現量子實(shí)用性：可擴展性、靈活性和保真度。

英特爾研究院量子硬件總監Jim Clarke表示：“如今，量子研究人員只用到少量的量子位，他們使用的是規模較小、定制化的系統，有著(zhù)復雜的控制和互連機制。英特爾的Horse Ridge大大降低了這種復雜性。為了實(shí)現量子實(shí)用性需要數千個(gè)量子位，而通過(guò)系統性地將規模擴展至數千個(gè)量子位，我們正繼續穩步推進(jìn)，讓商業(yè)上可行的量子計算在未來(lái)成為現實(shí)?！?/p>

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算系統的發(fā)展，在商業(yè)上可行的量子計算機發(fā)展進(jìn)程中，這是一個(gè)重要里程碑。（圖片來(lái)源：Walden Kirsch/英特爾公司）

落實(shí)量子實(shí)用性是一場(chǎng)漫長(cháng)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。要想將量子計算應用于實(shí)際問(wèn)題，就必須能擴展到數千個(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（SoC）來(lái)加快設置速度，極大地簡(jiǎn)化了當前運行量子系統所需的復雜控制電子設備，并改進(jìn)了量子位性能，同時(shí)還使系統能夠高效擴展到量子計算所需的更多量子位，以便解決實(shí)際存在的現實(shí)應用問(wèn)題。

研究報告中包括的關(guān)鍵技術(shù)細節：

可擴展性：采用英特爾22nm FFL（FinFET低功耗）CMOS技術(shù)部署的集成式SoC設計，將4個(gè)射頻（RF）頻道集成到一個(gè)設備之中。利用“頻率復用”技術(shù)，每一個(gè)頻道可以控制多達32個(gè)量子位。該技術(shù)將多路基帶信號調制到一系列不重疊的頻帶上，每個(gè)頻帶用來(lái)傳送單獨的信號。

利用這4個(gè)頻道，Horse Ridge可望通過(guò)單個(gè)設備控制多達128個(gè)量子位，與以往相比能顯著(zhù)減少所需的電纜和機架儀表數量。

保真度：量子位數量的增加會(huì )其他問(wèn)題，對量子系統容量和運行提出挑戰。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(kāi)發(fā)Horse Ridge的過(guò)程中，英特爾優(yōu)化了頻率復用技術(shù)，該技術(shù)可以支持系統擴展，并減少“相移”錯誤。相移是指在不同頻率控制多個(gè)量子位時(shí)出現的一種現象，會(huì )導致量子位之間的串擾。

Horse Ridge使用的多個(gè)頻率可以高精度“調諧”，使量子系統在用同一射頻線(xiàn)路控制多個(gè)量子位時(shí)，能夠適應并自動(dòng)校正相移，提高量子門(mén)保真度。

靈活性：Horse Ridge可以覆蓋很寬的頻率范圍，能夠控制超導量子位（稱(chēng)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1開(kāi)爾文的溫度下工作。有了這項研究奠定的基礎，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(guò)一篇研究報告展示他們的合作研究成果，該報告題為“用于量子計算機22nm FinFET技術(shù)中4×32頻率復用自旋量子位/傳輸子的可擴展Cryo-CMOS 2-to-20GHz數字密集型控制器”。