Intel首款低溫量子計算控制晶片細節:最多128個量子位

  • 2020 年 2 月 19 日
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2019年12月11日,Intel研究院宣布推出代號為“Horse Ridge”的首款低溫控制晶片,實現了對多個量子位的控制,可加快全棧量子計算系統的開發步伐,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研究院聯合QuTech(荷蘭代爾夫特理工大學與荷蘭國家應用科學院聯合創立),在舊金山舉辦的ISSCC 2020年國際固態電路會議上發布了一份研究報告,首次披露了全新低溫量子控制晶片“Horse Ridge”的諸多關鍵技術特點。

基於這些能力,Intel解決了構建強大量子系統所面臨的一系列重大挑戰,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,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。要想將量子計算應用於實際問題,就必須能擴展到數千個量子位,同時還要控制這些量子位,並保證高保真度。

Horse Ridge使用高度集成的SoC片上系統來加快設置速度,極大地簡化了當前運行量子系統所需的複雜控制電子設備,並改進了量子位性能,同時還使系統能夠高效擴展到量子計算所需的更多量子位,以便解決實際存在的現實應用問題。

Intel首款低溫量子計算控制晶片細節:最多128個量子位
Intel研究院首席工程師Stefano Pellerano手持Horse Ridge晶片

Horse Ridge關鍵技術細節:

- 可擴展性:

採用Intel 22nm FFL(FinFET低功耗) CMOS製程製造,集成式SoC設計,將四個RF射頻頻道集成在一個設備之中。

利用“頻率復用”技術,每一個頻道可以控制多達32個量子位。該技術將多路基頻訊號調製到一系列不重疊的頻帶上,每個頻帶用來傳送單獨的訊號。

利用這四個頻道,Horse Ridge可望通過單個設備控制多達128個量子位,顯著減少所需的電纜和機架儀錶數量。

- 保真度:

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

Horse Ridge優化了頻率復用技術,可以支援系統擴展,並減少“相移”錯誤。相移是指在不同頻率控制多個量子位時出現的一種現象,會導致量子位之間的串擾。

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

- 靈活性:

Horse Ridge可以覆蓋很寬的頻率範圍,能夠控制超導量子位(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,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研究院量子硬體總監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、訂製化的系統,有著複雜的控制和互連機制。Intel Horse Ridge大大降低了這種複雜性。為了實現量子實用性需要數千個量子位,而通過系統性地將規模擴展至數千個量子位,我們正繼續穩步推進,讓商業上可行的量子計算在未來成為現實。

Intel首款低溫量子計算控制晶片細節:最多128個量子位