英特尔和QuTech披露首款低温量子计算控制芯片“Horse Ridge”细节

英特尔研究院联合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），在旧金山举办的2020年国际固态电路会议（ISSCC）上发布了一份研究报告，概述了其全新低温量子控制芯片Horse Ridge的关键技术特点。该报告揭示了Horse Ridge的关键技术能力，这些能力为强大量子系统的构建解决了一系列重大挑战，使该系统能够体现量子实用性：可扩展性、灵活性和保真度。



英特尔研究院首席工程师Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片。新款的低温控制芯片将加快全堆栈量子计算系统的发展，在商业上可行的量子计算机发展进程中，这是一个重要里程碑。（图片来源：Walden Kirsch/英特尔公司）

英特尔研究院量子硬件总监Jim Clarke表示：“如今，量子研究人员只用到少量的量子位，他们使用的是规模较小、定制化的系统，有着复杂的控制和互连机制。英特尔的Horse Ridge大大降低了这种复杂性。为了实现量子实用性需要数千个量子位，而通过系统性地将规模扩展至数千个量子位，我们正继续稳步推进，让商业上可行的量子计算在未来成为现实。”
落实量子实用性是一场漫长的马拉松，而量子研究界目前才刚刚跑完这场马拉松的头一公里。要想将量子计算应用于实际问题，就必须能扩展到数千个量子位，同时还要控制这些量子位，并保证高保真度。Horse Ridge使用高度集成的片上系统（SoC）来加快设置速度，极大地简化了当前运行量子系统所需的复杂控制电子设备，并改进了量子位性能，同时还使系统能够高效扩展到量子计算所需的更多量子位，以便解决实际存在的现实应用问题。

研究报告中包括的关键技术细节：
可扩展性：采用英特尔22nm FFL（FinFET低功耗）CMOS技术部署的集成式SoC设计，将4个射频（RF）频道集成到一个设备之中。利用“频率复用”技术，每一个频道可以控制多达32个量子位。该技术将多路基带信号调制到一系列不重叠的频带上，每个频带用来传送单独的信号。
利用这4个频道，Horse Ridge可望通过单个设备控制多达128个量子位，与以往相比能显著减少所需的电缆和机架仪表数量。

保真度：量子位数量的增加会其他问题，对量子系统容量和运行提出挑战。这方面的潜在影响之一就是量子位保真度和性能的下降。在开发Horse Ridge的过程中，英特尔优化了频率复用技术，该技术可以支持系统扩展，并减少“相移”错误。相移是指在不同频率控制多个量子位时出现的一种现象，会导致量子位之间的串扰。
Horse Ridge使用的多个频率可以高精度“调谐”，使量子系统在用同一射频线路控制多个量子位时，能够适应并自动校正相移，提高量子门保真度。

灵活性：Horse Ridge可以覆盖很宽的频率范围，能够控制超导量子位（称为传输子）和自旋量子位。传输子的频率通常在6千兆赫（GHz）至7千兆赫左右，而自旋量子位频率则为13千兆赫至20千兆赫左右。
英特尔正在研究硅自旋量子位，这种量子位有可能在高达1开尔文的温度下工作。有了这项研究奠定的基础，英特尔有望成功集成硅自旋量子位器件和Horse Ridge的低温控制器，从而创建一种解决方案，将量子位和控制器件集成到一个精简封装中。

英特尔参加ISSCC大会的日程安排： 在2月18日星期二太平洋时间13:30 的ISSCC第19场分会上，英特尔和QuTech将通过一篇研究报告展示他们的合作研究成果，该报告题为“用于量子计算机22nm FinFET技术中4×32频率复用自旋量子位/传输子的可扩展Cryo-CMOS 2-to-20GHz数字密集型控制器”。

更多背景信息请参见：Horse Ridge 简介 |英特尔量子计算  | 英特尔研究院