英特爾研究院日前發布了代號為 “Horse Ridge” 的低溫控制芯片，只有手掌大小，可以在 4 開爾文（零下 269 攝氏度）的溫度下工作，適用于全棧量子計算系統的開發。本文圖片均來自英特爾官網……
英特爾研究院日前發布了代號為“Horse Ridge”的首款低溫控制芯片，以加快全棧量子計算系統的開發步伐。作為量子實用性道路上的一個重要里程碑，Horse Ridge實現了對多個量子位的控制，并為向更大的系統擴展指明了方向。
實現商業規模量子計算的真正瓶頸
Horse Rdige芯片基于英特爾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。控制芯片的制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。
英特爾研究院首席工程師Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片。這款全新低溫控制芯片將加快全棧量子計算系統的開發步伐，標志著商業上可行的量子計算機發展到新的里程碑。
英特爾量子硬件總監Jim Clarke表示：“雖然人們非常重視量子位本身，但同時控制多個量子位仍是業界的一大挑戰。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并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制造，構建測試芯片，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。但在早期的量子硬件開發過程中，如在英特爾硅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(interconnect)和控制電子(control electronics)設備。
憑借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，并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
量子計算機有望解決傳統計算機無法處理的問題，因為量子位可以同時以多種狀態存在，借助這一量子物理學現象，量子位能夠同時進行大量計算，從而大大加快了解決復雜問題的速度。如果說展示量子實用性是一場馬拉松，那么量子研究領域才剛剛跑完一英里。
量子研究領域應以量子實用性為基準，確定一個量子系統是否能夠提供顛覆性的性能，從而解決現實世界的問題。英特爾在量子計算上的投資涵蓋了整個硬件和軟件堆棧，旨在開發一個實用、商業上可行的量子系統，并使其投入商用。
量子計算目前面臨諸多挑戰，其中一個是超導量子比特僅在接近絕對零度的溫度下才能真正工作。谷歌和 IBM 在研發量子計算時都需要一套體積龐大的控制和冷卻系統，一些管子的尺寸比人還粗，還需要數百根電線連接到外部微波發射器上。
目前，研究人員一直致力于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并對系統進行編程的傳統計算設備相連。
這些設備通常是定制設計以控制單個量子位，如果要控制量子處理器，則需要數百根連接線進出冰箱。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。
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芯片(SoC)來代替這些龐大的儀器，將簡化系統設計，并允許使用復雜的信號處理技術來加快設置時間、改善量子位性能，并使系統能夠高效擴展到更多的量子位。Horse Ridge是高度集成的混合信號系統芯片，它將量子位控制引入量子冰箱中，以盡可能靠近量子位本身。Horse Ridge有效地降低了量子控制工程的復雜性，從進出冰箱的數百根電纜簡化到在量子設備附近運行的單個一體化套件。
Horse Ridge被設計成一個射頻(RF)處理器，用來控制在冰箱里運行的量子位，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沖。
能夠在大約4開爾文的低溫下工作
Horse Ridge控制芯片以俄勒岡州最冷的一個地區來命名，能夠在大約4開爾文的低溫下（零下 269 攝氏度）工作。直觀來說，4開爾文僅比絕對零度高一點點，其溫度之低，幾乎讓原子停止運動。隨著英特爾對硅自旋量子位的研究不斷取得進展，這一成果尤其令人興奮，因為硅自旋量子位有望在略高于當前量子系統所需的溫度下工作。
如今，量子計算機在毫開爾文溫度范圍內運行，這只比絕對零度高幾分之一度。但是硅自旋量子位的特性使其能夠在1開爾文或更高溫度下工作，這將極大地減少冷卻量子系統的挑戰。隨著研究不斷取得進展，英特爾的目標是讓低溫控制和硅自旋量子位在相同的溫度下工作。英特爾能夠充分利用在先進封裝和互連技術方面的專長，創建一個將量子位和控制器件集成到精簡封裝中的解決方案。
MIT科技評論點評道：“除了 22 納米工藝，目前我們對英特爾 Horse Ridge 的技術參數幾乎一無所知，比如它可以同時控制多少個量子比特或者對量子比特運算 / 控制性能帶來多大提升。
鑒于英特爾曾經試圖在移動芯片領域復刻計算機芯片的領導地位，傾注數年心血和巨額資金，但依然以失敗告終，現在就稱 Horse Ridge 是顛覆性成果、是超越谷歌和 IBM 的 “殺手锏” 仍然為時尚早。
無論如何，看到不同團隊愿意研究和發展不同的量子計算解決方案，足以讓我們感到慶幸，對量子計算的大規模實用抱有希望。”
責編：Luffy Liu
本文綜合自英特爾官網、中國經濟新聞、MIT科技評論、快科技報道
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