英特尔推出Horse Ridge首款低温量子计算控制芯片
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英特尔实验室(Intel Labs)首席工程师Stefano PelleranoStefano Pellerano展示Horse Ridge,一种新的低温控制芯片(cryogenic control chip)将加速全栈量子计算系统的开发,象征商业上可行的量子计算机发展的里程碑。
英特尔实验室于2019年底发布了被认为是同类产品中首例的低温控制芯片(代号:Horse Ridge),将加速全栈量子计算系统(full-stack quantum computing systems)的开发。Horse Ridge将实现对多个量子位(qubits)的控制,并为扩展大型系统设定了明确的途径,这有机会实现量子实用化的重要里程碑。
该低温控制芯片Horse Ridge由英特尔与QuTech共同开发,该技术来自荷兰TU Delft理工大学和荷兰应用科学研究组织TNO之间的合作成果。Horse Ridge是使用英特尔的22nm FinFET低功耗(22FFL)技术制造,借由英特尔内部制造将提高该芯片自主设计能力,进行测试和优化商业上在量子计算机的可行性。
英特尔认为,量子控制是开发大规模商用量子系统需要解决的重要难题之一,所以投资进行量子误差校正和控制。
现今,量子计算机功能竞赛中,大部分研究人员广泛地关注于量子位的制造、构建测试芯片,以证明少数以叠加方式运行的量子位的指数能力。但是,在早期的量子硬件开发中,英特尔专注于硅自旋量子位和超导量子位系统的设计及测试,并且确定了量子计算实现商业规模的主要瓶颈主要课题:互连和控制电子。
该Horse Ridge之潜力来看,目前,研究人员一直致力于构建小型量子系统,以证明量子装置的潜力。但有些研究人员依靠现有的电子工具和高性能计算规模的仪器,将低温冰箱内部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接。
这些量子设备通常是定制设计的,以控制各个量子位,需要数百根连接线进出冰箱才能控制量子处理器。每个量子位的大量控制电缆将阻碍将量子系统缩放至证明量子实用性所需的数百或数千个量子位的能力,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。
借助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。用高度SoC系统(SoC)代替这些笨重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qubit性能,并使系统有效地扩展到更大的qubit数量。
其实,Horse Ridge就是高度SoC混合信号,它将量子位控制引入量子制冷水机中以尽可能靠近量子位本身。它有效地降低了量子控制工程的复杂性,从进出冷水箱的数百根电缆到在量子设备附近运行的单一整合封装,都可以实现。
Horse Ridge设计为充当射频(RF)处理器,以控制冷水箱中的量子位,并使用与基本量子位操作相对应的指令进行编程。它将这些指令转换为电磁微波脉冲,可以控制量子位的状态。
随着研究的进展,英特尔的目标是使低温控制和硅自旋量子位在相同的温度水平下运行。这将使该公司能够利用其在高阶封装和互连技术来建构一种解决方案,将量子位和控制元件整合在一片封装芯片中。
英特尔实验室与TU Delft及TNO共同成立的研究机构QuTech合作,于旧金山举行的2020年国际固态电路研讨会(ISSCC)发表的研究论文中,概述了其新型低温量子控制芯片Horse Ridge的关键技术特性。该研究论文中提及的关键技术细节包括可扩展性,采用英特尔22奈米制程技术实现的整合式系统单芯片设计,将四个射频通道整合到单一装置当中。每个通道都可以利用分频多工的方式控制多达32个量子位元,该技术将可用的总频宽划分为一系列不重叠的频带,每个频带均用于承载独立的信号。Horse
Ridge利用这四个通道,可透过单一装置控制多达128个量子位元,从而大幅减少了先前所需的电缆和机架仪器的数量。