英特尔Horse Ridge出击 解决影响量子可扩展性的关键障碍

ISSCC 2020大会的研究报告重点介绍了量子控制芯片在可扩展性、灵活性和保真度方面的特点

英特尔研究院一直在与QuTech联手推进量子硬件和软件生态系统的研究，力图在未来实现量子计算机的商业应用。而整个行业在商业规模量子计算领域所面临挑战中，互连和控制电子设备是其中主要瓶颈。

构建容错型商业规模量子计算机，需要一个同时适用于量子位和控制电子设备的可扩展架构。Horse Ridge是一款高度集成的片上系统（SoC），提供了一个巧妙的解决方案来实现对多个量子位的高保真度控制，这是通往量子实用性的一个重要里程碑。

Horse Ridge特性


        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 4 mm2，采用英特尔22nm FFL （FinFET低功耗）CMOS技术。Horse Ridge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。
        集成式高速数模转换器和宽带上变频器，频率在2-20千兆赫（Ghz）之间。
        脉冲整形的幅度和相位调制信息（18Gb/s）存储在片上SRAM中，支持最高41μs的包络，该包络由查找表（LUT）提供信息，该表可为每个量子位定义8条指令。
        利用LUT降低了控制器所需的数据速率，通过在外部触发器上执行集成可编程指令集，在指令之间延迟最小的情况下，数据速率进一步降低到约1kb/s。
        Horse Ridge在同一个设备中有4个射频（RF）频道，并利用频率复用控制多达128个量子位。每一个射频频道均使用直接数字合成，带有32个数控振荡器，以200 Hz的高精度产生32个复用量子位频率。


测量的任意脉冲输出信号

Horse Ridge关键优势
        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。


    　  ISSCC’20  ISSCC’19  RSI’17  自旋量子位设置
  运行温度  3K  3K  300 K  300 K
  量子位平台  自旋量子位+传输子  传输子  传输子  自旋量子位
  量子位频率  2-20 gHz  4-8 gHz  　  < 20 gHz
  频道  128 (32 per TX)  1  4  1
  128 (32/TX)
  FDMA  是，SSB  否  是，SSB  否
  数据带宽  1 gHz  400 gHz  960 MHz  520 MHz
  影像/本振泄露校正  片上  片下  是  　
  相位纠偏  是  否  否  否
  保真度  99.99%  -  -  -
  波形/指令  高达40960 pts AWG  固定22 pts  　  16M pts AWG
  对称型
  指令集  是  否  是  是
  功率/ TX  模拟：1.7  mW/qubit*  模拟：<2  mW/qubit*  　  850W
  数字：330 mW‡  数字：N/A
  芯片面积TX  4 mm2  1.6 mm2  分立式  机架式

  技术  英特尔22nm FFL CMOS  28 nm bulk CMOS  分立元件  机架式


对比表

*包含本振/时钟驱动器，仅低射频激活
#未提及所包含的电路
‡可通过门控时钟减少
J. C. Bardin 等人，“A 28nm Bulk-CMOS 4-to-8GHz <2mW Cryogenic Pulse Modulator
for Scalable Quantum Computing,” ISSCC数字技术研究报告，第456-458页，2019年。
C. A. Ryan, B. R. Johnson, D. Ristè, B. Donovan和T. A. Ohki，“Hardware for
dynamic quantum computing,” Rev. Sci. Instrum., 2017年。