來源：英特爾

英特爾研究院發(fā)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(tǒng)的開發(fā)步伐。作為量子實用性道路上的一個重要里程碑， Horse Ridge實現(xiàn)了對多個量子位的控制，并為向更大的系統(tǒng)擴展指明了方向。

基于英特爾22納米FinFET技術(shù)，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(lián)合創(chuàng)立）共同開發(fā)了Horse Ridge。控制芯片的制造在英特爾內(nèi)部完成，將極大地提高英特爾在設計、測試和優(yōu)化商業(yè)上可行的量子計算機的能力。

圖：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(tǒng)的開發(fā)步伐，標志著商業(yè)上可行的量子計算機發(fā)展到新的里程碑。

英特爾量子硬件總監(jiān)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(yè)界的一大挑戰(zhàn)。英特爾認識到，量子控制是大規(guī)模商用量子系統(tǒng)開發(fā)過程中的核心環(huán)節(jié)，這也是英特爾投資量子糾錯和控制技術(shù)的原因。通過Horse Ridge，英特爾開發(fā)了一個可擴展的控制系統(tǒng)，能夠大大加快測試速度并實現(xiàn)量子計算的潛力。”

在實現(xiàn)量子計算機的功能和潛力的競賽中，研究人員廣泛關(guān)注量子位的制造，構(gòu)建測試芯片，以證明以疊加方式運行的少數(shù)量子位就能指數(shù)級提高計算能力。但在早期的量子硬件開發(fā)過程中，如在英特爾硅自旋量子位和超導量子位系統(tǒng)的設計、測試和表征中，英特爾發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模量子計算的主要瓶頸是互連和控制電子設備。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(tǒng)將來擴展到更多的量子位指明了方向，這是實現(xiàn)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(tǒng)計算機無法處理的問題，因為量子位可以同時以多種狀態(tài)存在，借助這一量子物理學現(xiàn)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(lǐng)域才剛剛跑完一英里。量子研究領(lǐng)域應以量子實用性為基準，確定一個量子系統(tǒng)是否能夠提供顛覆性的性能，從而解決現(xiàn)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(fā)一個實用、商業(yè)上可行的量子系統(tǒng)，并使其投入商用。

目前，研究人員一直致力于構(gòu)建小規(guī)模的量子系統(tǒng)，以證明量子設備的潛力。在這些嘗試中，研究人員依靠現(xiàn)有的電子工具和高性能計算機架級儀器，將低溫冰箱內(nèi)的量子系統(tǒng)與調(diào)節(jié)量子位性能并對系統(tǒng)進行編程的傳統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(yè)可行的量子解決方案所需的數(shù)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(tǒng)所需的控制電子設備。通過用高度集成的系統(tǒng)芯片（SoC）來代替這些龐大的儀器，將簡化系統(tǒng)設計，并允許使用復雜的信號處理技術(shù)來加快設置時間、改善量子位性能，并使系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)百根電纜簡化到在量子設備附近運行的單個一體化套件。

圖：英特爾量子計算實驗室中的量子計算冰箱內(nèi)部照片，該實驗室位于俄勒岡州希爾斯伯勒。

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(zhuǎn)換成可操縱量子位狀態(tài)的電磁微波脈沖。

Horse Ridge控制芯片以俄勒岡州最冷的一個地區(qū)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(tǒng)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(nèi)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(tǒng)的挑戰(zhàn)。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(shù)方面的專長，創(chuàng)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。