面向量子计算的英特尔Horse Ridge低温控制芯片具有哪些特点？

在本周于旧金山举行的国际固态电路会议（ISSCC）上，英特尔携手 QuTech 宣布了面向量子计算的 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。

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。

![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 论文中强调了三项关键技术（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。

(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众多量子比特时，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) 兼容性方面：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。