量子计算商用里程碑：英特尔推出马岭低温控制芯片

前言：
新的低温控制芯片将加速全堆栈量子计算系统的发展，标志着商业上可行的量子计算机的发展的一个里程碑。

量子计算虽好但难度也高

虽然量子计算机算力惊人，能够在数分钟内创造最棒的传统计算机“几千年”才能提供的算力。
 
但从各家透露出的原型图来看，无不是块头巨大、上百根控制线密布的庞然大物。这一现状从今天起有望得到根本性的转变。
 
量子计算在现阶段的挑战在于，它只能在接近冰点的温度下工作。而英特尔正在试图改变这一状况。
 
英特尔将量子实用所需的量子比特扩展到数千位，从而在使商业上可行的量子计算成为现实方面取得了稳步进展。
 
英特尔研究院发布首个代号为“马岭”的低温控制芯片，以加速全堆栈量子计算系统的发展。作为量子实用化道路上的一个重要里程碑，马岭实现了对多个量子位的控制，并为向更大系统的扩展指明了方向。

实现商业规模量子计算的真正瓶颈

Horse Rdige 芯片基于英特尔 22 纳米 FinFET 工艺，由英特尔与 QuTech(由荷兰代尔夫特理工大学与荷兰国家应用科学院联合创立)共同开发。
 
控制芯片的制造在英特尔内部完成，将极大地提高英特尔在设计、测试和优化商业上可行的量子计算机的能力。这款全新低温控制芯片将加快全栈量子计算系统的开发步伐，标志着商业上可行的量子计算机发展到新的里程碑。
 
英特尔认识到，量子控制是大规模商用量子系统开发过程中的核心环节，这也是英特尔投资量子纠错和控制技术的原因。
 
通过 Horse Ridge，英特尔开发了一个可扩展的控制系统，能够大大加快测试速度并实现量子计算的潜力。
 
在实现量子计算机的功能和潜力的竞赛中，研究人员广泛关注量子位的制造，构建测试芯片，以证明以叠加方式运行的少数量子位就能指数级提高计算能力。
 
但在早期的量子硬件开发过程中，如在英特尔硅自旋量子位和超导量子位系统的设计、测试和表征中，英特尔发现实现商业规模量子计算的主要瓶颈是互连和控制电子设备。
 
凭借 Horse Ridge，英特尔推出了一个精巧的解决方案，它能够控制多个量子位，并为系统将来扩展到更多的量子位指明了方向，这是实现量子实用性道路上的一个重要里程碑。

解决在绝对零度工作的难题

目前，研究人员一直致力于构建小规模的量子系统，以证明量子设备的潜力。在这些尝试中，研究人员依靠现有的电子工具和高性能计算机架级仪器，将低温冰箱内的量子系统与调节量子位性能并对系统进行编程的传统计算设备相连。
 
然而，这种针对每个量子位的广泛控制布线将会束缚量子系统的能力，使其无法扩展到证明量子实用性所需要的成百上千个量子位，更不用说商业可行的量子解决方案所需的数百万个量子位了。
 
Horse Ridge 被设计成一个射频(RF)处理器，用来控制在冰箱里运行的量子位，其编程指令与基本量子位的操作相对应，这些指令将被转换成可操纵量子位状态的电磁微波脉冲。
 
Horse Ridge 是一款高度集成、混合信号的低温片上系统（SoC），硅片面积为 4 x 4mm2，采用英特尔 22nm FFL （FinFET 低功耗）CMOS 技术。HorseRidge 将静态随机存取存储器（SRAM）、数字核心和模拟 / 射频（RF）电路集成到单个封装中，用微波脉冲操纵量子系统中量子位的状态。
 
通过 Horse Ridge，英特尔从根本上简化了运行量子系统所需的控制电子设备。通过用高度集成的系统芯片(SoC)来代替这些庞大的仪器，将简化系统设计，并允许使用复杂的信号处理技术来加快设置时间、改善量子位性能，并使系统能够高效扩展到更多的量子位。

Horse Ridge 芯片优势

缩小了运行量子系统所需的外形尺寸（芯片和 PCB 大小）并减少了所需的功率。能够扩展和控制更多的量子位（多达 128 个量子位）。
 
Horse Ridge 高度灵活的脉冲控制能力降低了量子位之间的串扰，并提高了整体量子门保真度。
 
该芯片可以自动校正相移（使用同一射频线路控制不同频率的多个量子位时会发生这一现象），并在每次控制电子器件脉冲后更新数字代码。

Horse Ridge 技术细节

可扩展性方面：集成式 SoC 设计采用了 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。
 
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。
 

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。

结尾：巨头推动量子计算向前

在量子计算的研究上，英特尔与谷歌、IBM 同属于第一梯队，不过不同于后两者在该领域的高调行事和各种碰撞。

 
而英特尔显得不紧不慢，一直低调进行研究，以把超导量子计算测试芯片扩展到更高的量子位数，并实现量子实用性等。

 
谷歌去年曾宣布实现量子霸权，虽然该论文很快就被撤下，但是不得不说正是因为各大公司的努力，量子计算研究发展才会如此飞速。

 
综上所述，该领域还需要积极进行探索，而哪方能够取得更大的收获，美股研究社也将持续关注。