英特爾研究院聯(lián)合QuTech（由荷蘭代爾夫特理工大學與荷蘭國家應(yīng)用科學院聯(lián)合創(chuàng)立），在舊金山舉辦的2020年國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上發(fā)布了一份研究報告，概述了其全新低溫量子控制芯片Horse Ridge的關(guān)鍵技術(shù)特點。該報告揭示了Horse Ridge的關(guān)鍵技術(shù)能力，這些能力為強大量子系統(tǒng)的構(gòu)建解決了一系列重大挑戰(zhàn)，使該系統(tǒng)能夠體現(xiàn)量子實用性：可擴展性、靈活性和保真度。

英特爾研究院首席工程師Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片。新款的低溫控制芯片將加快全堆棧量子計算系統(tǒng)的發(fā)展，在商業(yè)上可行的量子計算機發(fā)展進程中，這是一個重要里程碑。（圖片來源：Walden Kirsch/英特爾公司）

英特爾研究院量子硬件總監(jiān)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(guī)模較小、定制化的系統(tǒng)，有著復(fù)雜的控制和互連機制。英特爾的Horse Ridge大大降低了這種復(fù)雜性。為了實現(xiàn)量子實用性需要數(shù)千個量子位，而通過系統(tǒng)性地將規(guī)模擴展至數(shù)千個量子位，我們正繼續(xù)穩(wěn)步推進，讓商業(yè)上可行的量子計算在未來成為現(xiàn)實。”

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(yīng)用于實際問題，就必須能擴展到數(shù)千個量子位，同時還要控制這些量子位，并保證高保真度。Horse Ridge使用高度集成的片上系統(tǒng)（SoC）來加快設(shè)置速度，極大地簡化了當前運行量子系統(tǒng)所需的復(fù)雜控制電子設(shè)備，并改進了量子位性能，同時還使系統(tǒng)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(xiàn)實應(yīng)用問題。

研究報告中包括的關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)：

可擴展性：采用英特爾22nm FFL（FinFET低功耗）CMOS技術(shù)部署的集成式SoC設(shè)計，將4個射頻（RF）頻道集成到一個設(shè)備之中。利用“頻率復(fù)用”技術(shù)，每一個頻道可以控制多達32個量子位。該技術(shù)將多路基帶信號調(diào)制到一系列不重疊的頻帶上，每個頻帶用來傳送單獨的信號。

利用這4個頻道，Horse Ridge可望通過單個設(shè)備控制多達128個量子位，與以往相比能顯著減少所需的電纜和機架儀表數(shù)量。

保真度：量子位數(shù)量的增加會其他問題，對量子系統(tǒng)容量和運行提出挑戰(zhàn)。這方面的潛在影響之一就是量子位保真度和性能的下降。在開發(fā)Horse Ridge的過程中，英特爾優(yōu)化了頻率復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)可以支持系統(tǒng)擴展，并減少“相移”錯誤。相移是指在不同頻率控制多個量子位時出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，會導(dǎo)致量子位之間的串擾。

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

靈活性：Horse Ridge可以覆蓋很寬的頻率范圍，能夠控制超導(dǎo)量子位（稱為傳輸子）和自旋量子位。傳輸子的頻率通常在6千兆赫（GHz）至7千兆赫左右，而自旋量子位頻率則為13千兆赫至20千兆赫左右。

英特爾正在研究硅自旋量子位，這種量子位有可能在高達1開爾文的溫度下工作。有了這項研究奠定的基礎(chǔ)，英特爾有望成功集成硅自旋量子位器件和Horse Ridge的低溫控制器，從而創(chuàng)建一種解決方案，將量子位和控制器件集成到一個精簡封裝中。

英特爾參加ISSCC大會的日程安排： 在2月18日星期二太平洋時間13:30 的ISSCC第19場分會上，英特爾和QuTech將通過一篇研究報告展示他們的合作研究成果，該報告題為“用于量子計算機22nm FinFET技術(shù)中4×32頻率復(fù)用自旋量子位/傳輸子的可擴展Cryo-CMOS 2-to-20GHz數(shù)字密集型控制器”。

英特爾Horse Ridge出擊 解決影響量子可擴展性的關(guān)鍵障礙

英特爾研究院一直在與QuTech聯(lián)手推進量子硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)的研究，力圖在未來實現(xiàn)量子計算機的商業(yè)應(yīng)用。而整個行業(yè)在商業(yè)規(guī)模量子計算領(lǐng)域所面臨挑戰(zhàn)中，互連和控制電子設(shè)備是其中主要瓶頸。

構(gòu)建容錯型商業(yè)規(guī)模量子計算機，需要一個同時適用于量子位和控制電子設(shè)備的可擴展架構(gòu)。Horse Ridge是一款高度集成的片上系統(tǒng)（SoC），提供了一個巧妙的解決方案來實現(xiàn)對多個量子位的高保真度控制，這是通往量子實用性的一個重要里程碑。

Horse Ridge特性

Horse Ridge是一款高度集成、混合信號的低溫片上系統(tǒng)（SoC），硅片面積為4 x 4 mm2，采用英特爾22nm FFL （FinFET低功耗）CMOS技術(shù)。Horse Ridge將靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）、數(shù)字核心和模擬/射頻（RF）電路集成到單個封裝中，用微波脈沖操縱量子系統(tǒng)中量子位的狀態(tài)。

集成式高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器和寬帶上變頻器，頻率在2-20千兆赫（Ghz）之間。

脈沖整形的幅度和相位調(diào)制信息（18Gb/s）存儲在片上SRAM中，支持最高41μs的包絡(luò)，該包絡(luò)由查找表（LUT）提供信息，該表可為每個量子位定義8條指令。

利用LUT降低了控制器所需的數(shù)據(jù)速率，通過在外部觸發(fā)器上執(zhí)行集成可編程指令集，在指令之間延遲最小的情況下，數(shù)據(jù)速率進一步降低到約1kb/s。

Horse Ridge在同一個設(shè)備中有4個射頻（RF）頻道，并利用頻率復(fù)用控制多達128個量子位。每一個射頻頻道均使用直接數(shù)字合成，帶有32個數(shù)控振蕩器，以200 Hz的高精度產(chǎn)生32個復(fù)用量子位頻率。

Horse Ridge關(guān)鍵優(yōu)勢

縮小了運行量子系統(tǒng)所需的外形尺寸（芯片和PCB大小）并減少了所需的功率。

能夠擴展和控制更多的量子位（多達128個量子位）

Horse Ridge高度靈活的脈沖控制能力降低了量子位之間的串擾，并提高了整體量子門保真度。

該芯片可以自動校正相移（使用同一射頻線路控制不同頻率的多個量子位時會發(fā)生這一現(xiàn)象），并在每次控制電子器件脈沖后更新數(shù)字代碼。