2019-12-11
【22nm 工藝繼續用 ?!】可於 -269°C 環境下運作
Intel Horse Ridge 首款低溫量子控制晶片
文: Cherry Kwok / 新聞中心
文章索引: IT要聞 處理器 INTEL

Intel 實驗室最新發佈了代號為“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,適用於全棧量子運算系統的開發。Intel 稱,Horse Ridge 是在量子控制系統小型化的最新嘗試,由荷蘭代爾夫特理工大學和 Intel 聯合開發,使用自家的 22nm FinFET 技術製造而成,可以實現對多個量子比特的控制,為 Intel 未來擴展到大規模系統鋪墊了清晰的路線,提升了進一步設計、測試和優化商業化量子電腦的能力。

 

量子運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。Google 和 IBM 在研發量子運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。

 

Horse Ridge

 

Intel 量子硬件主管 Jim Clarke 表示,“儘管人們非常重視量子比特本身,但同時控制多個量子比特的能力一直是業界挑戰。Intel 意識到,量子控制是我們開發大規模商用量子運算系統亟需解決的難題之一。這就是為什麼我們要投資量子誤差校正和控制。有了 Horse Ridge,Intel 已經開發了一種可擴展的控制系統,它將大大加速我們對量子運算潛力的測試和實現。”

 

Intel 指出,自成立量子硬件部門以來,相比“量子優越性”,自己更看重“量子實用性”,一種確定“量子系統能否徹底改變遊戲規則來解決實際問題”的基準,以追求實用量子系統的開發和商業化為主。

 

一直以來,在實現量子電腦功能、激發其潛力的競賽中,研究人員更關注量子比特的製造,構建了測試晶片,以證明少數以疊加態量子比特強大的能力。但是,在 Intel 早期的量子硬件開發中——包括對矽自旋量子比特和超導量子比特系統的設計、測試和表徵——認定了阻止量子運算商業規模化的主要瓶頸:互連(interconnect)和控制(control electronics)。

 

Intel 認為Horse Ridge 開啟了一種“優雅的解決方案”,允許控制多個量子比特,並為將未來構建能控制更多量子比特的系統設定了明確的路徑,是實現量子實用性的重要里程碑。

 

研究人員一直致力於構建小型量子系統,以證明量子設備的潛力。在絕大多數情況下,量子系統被放在一個低溫製冷系統內(類似於冰箱),人們使用電子元件和高性能大型運算設備將它們和傳統運算設備相連,並通過後者調節量子系統和量子比特的性能。

 

Horse Ridge

 

這些設備通常是定制設計的,以控制單個量子比特,需要數百根連接線才能跨越“冰箱” 控制量子處理器。驗證量子系統的實用性需要成千上萬個量子比特,而商用量子解決方案甚至需要數百萬個量子比特,如果每個量子比特都需要這麼多的連接線,系統的拓展性就受到了嚴重的阻礙。

 

借助 Horse Ridge,Intel 從根本上簡化了運行量子系統所需的電子控制設備。用高度集成的 SoC片上系統替換笨重的儀器,簡化整體系統設計的同時,允許使用複雜的信號處理技術加快設置時間,改善量子比特性能以及更高效地擴展到更多的量子比特。

 

Horse Ridge 降低了冷卻難度

 

它將量子比特的控制系統引入冰箱中,盡可能地靠近量子比特本身,從而有效降低了量子控制工程的複雜性:從數百根進出冰箱的電線,簡化到在量子設備附近運行的一個獨立封裝晶片。

 

Horse Ridge 的編程指令與基本量子比特的操作保持一致,可以充當 RF 射頻處理器來控製冰箱中運行的量子比特。它將程式指令轉換為微波脈衝,以控制量子比特的狀態。

 

Horse Ridge

 

Horse Ridge 控制晶片以俄勒岡州最冷的地區命名,寓意它支持在約 4 開爾文的極低溫度下工作。但即使如此,這個溫度還是高於超導量子比特系統所需的溫度,大大降低了冷卻量子系統的難度。

 

作為 Intel 的競爭對手,Google 及 IBM 主要專注於超導量子比特的研究,由此驅動的量子運算系統需要在毫開爾文區間內運行,僅比絕對零度高一點點。但 Intel 認為,矽自旋量子比特具備在更高溫度下工作的潛力,約 1 開爾文,希望能藉此實現差異化競爭。

 

未來隨著研究的繼續,Intel 希望讓低溫控制晶片和矽自旋量子比特處於相同的溫度下運行。這樣或許可以解鎖更高級的封裝和互連技術,創造新的解決方案,比如將量子比特和控制系統集成在一個簡化的封裝中。

 

Horse Ridge

 

除了 22nm 製程工藝及用上高度集成的混合訊號 SoC 之外,目前我們對 Intel Horse Ridge 的技術參數幾乎一無所知,Intel 亦未透露更多技術細節,例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。

 

鑑於 Intel 曾經試圖在移動晶片領域復刻電腦晶片的領導地位,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 Google  IBM 的“殺手鐧” 仍然為時尚早。

 

無論如何,看到不同團隊願意研究和發展不同的量子運算解決方案,足以讓我們感到慶幸,對量子運算的大規模實用抱有希望。

 

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