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解決量子位控制難題 英特爾推出Horse Ridge



英特爾研究院發布了代號為“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,並為向更大的系統擴展指明了方向。

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基於英特爾22納米FinFET技術,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)共同開發了Horse  Ridge。控制芯片的製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。

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圖片說明: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,標誌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並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製造,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,如在英特爾矽自旋量子位和超導量子位系統的設計、測試和表徵中,英特爾發現實現商業規模量子計算的主要瓶頸是互連和控制電子設備。憑藉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,並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。

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複雜問題的速度。如果說展示量子實用性是一場馬拉松,那麼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,並使其投入商用。

目前,研究人員一直致力於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並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佈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,並允許使用複雜的信號處理技術來加快設置時間、改善量子位性能,並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複雜性,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,用來控制在冰箱裡運行的量子位,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衝。

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。隨著英特爾對矽自旋量子位的研究不斷取得進展,這一成果尤其令人興奮,因為矽自旋量子位有望在略高於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範圍內運行,這只比絕對零度高幾分之一度。但是矽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矽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。