由 dawei 【DIY硬件频道】本周在旧金山举行的国际固态电路会议(ISSCC)上，英特尔携手QuTech公布面向量子计算的Horse Ridge低温控制芯片。作为代尔夫特理工大学(TUDelft)与荷兰应用科学研究组织TNO的一项合作，QuTech旨在加速全栈量子计算系统的研发。首次公开的Horse Ridge技术设计，标志着商业上可行的量子计算发展的一个里程碑。
【英特尔实验室首席工程师Stefano Pellerano展示Horse Ridge芯片。图自：Intel，via Venture Beat】
英特尔实验室与QuTech研究人员在论文中概述了新型低温量子控制芯片的技术功能。为在低温下良好运行，其特别设计了可扩展的片上系统(SoC)，从而简化扩展和运行大型量子计算系统所需的控制电子器件及互连。
据悉，Horse Ridge解决了构建足以证明量子实用性的量子系统的基本挑战——可扩展性、灵活性以及保真度。当前量子计算的挑战，在于只能在接近冰点的温度下才能真正发挥作用，不过英特尔正试图改变这种状况。控制芯片是为在极低温度下实现控制而迈出的重要一步，因其能够适应装有量子计算机的冷藏箱、避免需要打理数百根线缆的麻烦。
当前，量子研究人员正在使用基于复杂控制和互连机制的小型定制设计系统，来处理少量的量子比特(qubit)，但英特尔的Horse Ridge极大地化解了这种复杂性。英特尔实验室量子硬件总监Jim Clarke在一份声明中称，想要构成一套实用的量子计算系统，需要将量子比特扩展到数千个。而英特尔正在推动量子计算向着实际商用而努力，并且取得了持续的进步。
【2018年7月资料图，英特尔量子硬件部门主管Jim Clarke在位于代尔夫特理工大学的QuTech量子计算实验室，手持拥有49个量子比特的测试芯片。(图自：Tim Herman / Intel)】
英特尔在ISSCC论文中强调三项关键技术(可扩展性、保真度、以及灵活性)的细节。
(1)可扩展性方面：集成式SoC设计采用22nm FinFET低功耗CMOS技术实现，可将四个射频(RF)通道集成到单个设备中。借助‘频分复用’技术，每通道最多可控制32个量子比特。这项技术将可用的总带宽划分为一系列不重叠的频带，每个频带均可承载单独的信号。通过这四个通道，Horse Ridge能让单个设备控制多达128个量子比特，从而大幅减少了此前所需的电缆和机架仪器的数量。
(2)保真度方面：量子比特数的增加，会引发与量子系统容量和运行等相关的其它问题，尤其是保真度与性能的下降。在Horse Ridge的开发过程中，英特尔优化了多路复用技术，使系统能伸缩并减少‘相移’(phase shift)导致的错误。当以不同的频率控制诸多量子比特时，就会发生这种现象，导致量子比特之间的串扰。工程师可以高精度地调节芯片利用的各种频率，使量子系统能够适应和自动校正通过同一条RF线来控制多个量子比特时的相移，从而提高量子比特门的保真度。
(3)灵活性方面：Horse Ridge能够覆盖相当宽的频率范围，从而控制超导量子比特(transmons)和自旋量子比特(spin qubits)。Transmon通常在6-7 GHz左右运行，Spin Qubits则是13-20 GHz左右。英特尔正在研究可在1开尔文温度下运行的自旋量子比特，为整合硅自旋量子比特器件和Horse Ridge的低温控制部件铺平了道路。如此一来，该公司能够打造一套独特的解决方案，在一个精简的封装中纳入量子比特和相关控件。
据悉，英特尔和QuTech计划在太平洋时间周二下午(13:30)的ISSCC会议上发表有关该主题的论文。
编辑点评：从半导体技术逐渐进入瓶颈之后，量子计算在近几年逐渐成为新的发展契机。与传统2进制的电子计算机不同，量子计算将跳开2进制的局限，让计算机的性能得到跨时代的提升。但是量子计算也有明显的局限，那就是其只能在接近绝对零度的环境下才能运行，这样的温度明显已经不再属于个人计算机，量子级算的更多应用领域是超级计算机和计算中心、数据中心等，民用领域使用量子计算几乎没有可能。。
除了英特尔外，IBM、台积电等公司也在积极开发量子计算芯片，但英特尔明显走在其他其他公司前面。从2017年开始，英特尔就不算公开自己的量子计算芯片的开发进度，同时展示过64bit的量子计算芯片。