英特尔的量子计算之路

出品  光子盒研究院

众所周知，IBM和谷歌领跑量子计算，然而英特尔做到了IBM和谷歌都没有做到的事。

今年4月英特尔和QuTech共同在Nature上发表了一篇论文，证明了在高于1开氏度下，能够成功控制“高温”量子位，相比于超导量子系统只能在0.1开氏度下运行已经提高不少。

英特尔实验室量子硬件总监Jim Clarke表示：“这项研究代表我们对硅自旋量子位的研究取得了意义非凡的进展。硅自旋量子位是一个极具潜力的候选技术，有望赋能商业规模级量子系统。”

没错，英特尔走的是一条与IBM和谷歌完全不同的技术路线，即硅自旋量子位。

早在1998年，美国马里兰大学的物理学家Bruce Kane就提出了制造固态量子计算机可以使用嵌入硅的磷原子的核自旋（nuclear spin）来实现。不过因为技术发展缓慢，而落后于超导量子计算机。

直到2012年，澳大利亚新南威尔士大学Michelle Simmons团队才制作出可以工作的单磷原子晶体管。这让英特尔看到了参与量子计算的机会，作为半导体时代的霸主，硅技术就是英特尔最擅长的东西。

目前，距离英特尔进入量子计算领域仅仅5年，就已经取得了举世瞩目的成绩。

从17位到49位

2015年9月，英特尔向荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）与荷兰应用科学研究组织（TNO）合建的QuTech研究所投资5000万美元并建立战略合作关系。计划用十年时间加速量子计算研究，以解决更多的复杂问题。

代尔夫特理工大学是荷兰历史最悠久、规模最大的理工大学，它有8个学院，包括了应用科学学院和电气工程、数学与计算机科学学院。QuTech的主要成员就来自这两个学院。

在宣布了与QuTech合作研究量子计算后的两年，英特尔都一直保持低调，直到2017年10月向QuTech交付了17量子位超导芯片，才第一次在世人面前展示自己的研究成果。

英特尔量子硬件总监Jim Clarke手持一块17位超导测试芯片

之所以先做超导芯片，是因为超导技术在量子计算众多物理实现方式中最为成熟，同期IBM也已经制备了20量子位超导芯片。

不过与IBM相比，英特尔用的时间更短，它利用自身在芯片制造业的丰富经验，基于现有电子电路设计，生产出这款超导量子芯片。

英特尔采用已有的300纳米覆晶技术 （flip chip），再通过修改材料、电路设计以及不同组件之间的链接，克服了超导芯片低温集成的问题，使芯片能在更高温度下更加稳定，量子位之间的射频干扰也更小。该芯片可以发送和接收的信号是电线连接芯片的10到100倍。

就在17位超导测试芯片交付两个月后，英特尔在拉斯维加斯举办的CES 2018上推出了49位超导量子测试芯片Tangle Lake。该芯片是以阿拉斯加的湖泊链命名的，充分体现了量子位运作所需的极寒温度和纠缠态。

49 量子位超导量子测试芯片 Tangle Lake

该芯片使用了先进材料，其尺寸约为一个25美分硬币，改善了热性能，降低了射频干扰，其可扩展的互联特性将允许更多信号出入芯片，专为量子集成电路的扩展而设计。

Tangle Lake代表了英特尔向着开发一个完整的量子计算系统——从架构到算法再到控制电子器件——这一目标所取得的进展。

然而，时任英特尔实验室负责人Mike Mayberry表示：“要想实现一个可商用的量子计算系统，任何人都应参与其中。我们预计，大概需要 5-7 年时间，行业才能开始解决工程规模的问题，可能需要100万或更多量子位才能实现商业应用。”

对能正常工作的量子位数量需求的增加，便是英特尔除了投资超导量子位，还对硅自旋量子位进行研究的原因。自旋量子位在规模化方面具备优势，因为它们比超导量子位小很多。 

从超导到硅自旋

通过超导量子芯片展示自己的实力后，英特尔的量子计算研究逐渐步入正轨，即硅自旋量子位的制造。自旋量子位类似于一个半导体电子晶体管，在许多方面与传统晶体管相似，并有可能通过类似的制程制造。

近百年前，物理学家发现电子是有自旋的。那么规定，电子向上旋转，数据表示1；向下旋转则表示0。与超导量子位的工作方式类似，这些电子也可以以叠加的形式存在，这意味着它们有同时上下自旋的可能性。

英特尔认为自旋量子位比超导量子位更有优势，首先自旋量子位在物理尺寸上要小得多，它们的相干时间预计也会更长。超导量子位非常庞大，它们在一个55加仑（约208升）圆桶大小的系统中运行，这使其难以把量子系统的设计扩展到开发真正商用系统所需的数百个万量子位的规模。

还有一个优势，自旋量子位可以在更高的温度下工作，即从接近绝对零度提升至1开氏度，在宏观层面提升1开氏度看起来微不足道，但在原子层面已经是重大突破。通过把控制电子元件集成放在更靠近处理器的位置，可以大大降低运行芯片所需系统的复杂性。

在2018年2月美国科学促进协会（AAAS）年会上，QuTech展示了一个双量子比特自旋量子计算机，它可以实现执行两个简单的量子算法的编程。

此外，英特尔还在其300毫米制程技术上发明了自旋量子位制造流程，采用专门用于生产自旋量子位测试芯片的同位素纯晶圆，并能和英特尔先进的晶体管技术一样，在同一个设施中制造。

英特尔实验室量子应用与架构主管Anne Matsuura手持一个装满自旋量子位的英特尔晶圆

四个月后，英特尔宣布位于俄勒冈州的工厂制造出了一种微小的新型自旋量子位芯片，并开始测试，它使用了英特尔用以制造数十亿传统计算机芯片相同的硅制造技术。这也是目前英特尔制造出的最小的量子计算芯片，比铅笔头上的橡皮擦还要小。

自旋量子位芯片

这款微型芯片，它的量子位极小（宽约50纳米），只有在电子显微镜下才能看到。而一根头发的直径可以有约1500个量子位通过。这就意味着新的英特尔自旋量子位芯片的设计可能会大幅提升。唯一的缺憾是，这款芯片仍然只能在接近0开氏度的极低温度下运行。

自旋量子位芯片面世，也意味着Mike Mayberry圆满结束了自己的任期，英特尔实验室迎来了新的负责人Rich Uhlig博士。

Rich Uhlig

Rich Uhlig履职一年多以来，英特尔量子计算实现了从低温到“高温”的跨越。

从低温到“高温”

Rich Uhlig上任后不久，英特尔就传来了喜讯。

英特尔、Bluefors和Afore公司推出了首款cryoprober，这是一款低温晶圆探测器，旨在加快量子计算解决方案的研究。英特尔需要借助量子测试工具来收集更多关于量子芯片的数据。

由英特尔、Bluefors和Afore制造的第一台低温晶圆探测器cryoprober

与传统晶体管的测试方式截然不同，每个量子处理器都会在低温稀释制冷机中接受数月的测试，以确定处理器是否工作。截至目前，量子位的电学特性描述与传统晶体管相比非常缓慢，即使是小数据集的收集也常常需要几天时间。

借助cryoprober探测器，英特尔能够将自动收集有关自旋量子位的信息所需的时间从几周缩短到几分钟，这些信息包括量子噪声源、量子点的质量以及构建自旋量子位的重要材料。

值得一提的是，英特尔的量子计算战略与IBM、谷歌等大多数玩家有所不同，该公司是将研究重点放在现有器件的高密度控制逻辑问题上。

虽然这个控制问题听起来像是一个次要问题，但所有这些连接的管理都非常复杂，并且限制了如今的早期量子系统的当前量子比特计数和功能的可扩展性。

英特尔致力于设计一种集成电路，这种集成电路可以为量子器件产生信号，并为同一器件上的信号提供更好的性能控制。与标准硅芯片一样，较少的外部量子连接意味着更低的延迟、更强的性能和更好的可扩展性。

例如，英特尔Skylake芯片，它有大约70亿个晶体管，但与外部世界的连接只有大约2000个，大部分是电源和接地。这种多器件、相对较少的控制线模式对硅器件和量子器件都是至关重要的。

英特尔认为，通过将更多的控制电子器件转移到低温设备中，可以显着降低延迟。于是就有了2019年12月9日英特尔实验室发布首款低温控制芯片Horse Ridge， 实现了对多个量子位的控制，以加快全栈量子计算系统的开发步伐。

英特尔实验室首席工程师Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片

Horse Ridge是高度集成的混合信号系统芯片，它将量子位控制引入量子冰箱之中，以尽可能靠近量子位本身。它被设计成一个射频处理器，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。

通过用高度集成的系统芯片（SoC）来代替庞大的仪器，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 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。

Horse Ridge技术指标

Horse Ridge控制芯片以俄勒冈州最冷的一个地区来命名，能够在大约4开氏度的低温下工作。尽管只比绝对零度高一点点，但这一成果依然令人兴奋，因为硅自旋量子位有望在略高于当前量子系统所需的温度下工作。

因此，英特尔接下来的工作就是证明能够在高于1开氏度的温度下控制硅自旋量子位。终于在今年4月，英特尔实现了这一步。英特尔与QuTech共同在Nature上发表了一篇论文，证明了在高于1开氏度下，能够成功控制“高温”量子位。

一般来说，除非将量子位冷却到接近绝对零度（-273 摄氏度，或 0 开氏度），否则量子位中存储的量子信息通常很快就会丢失。而英特尔和QuTech首次展现了如何运行较高温度、较大密度且相干的量子位。

英特尔和 QuTech 还证明了能够控制双量子位系统电子自旋的能力，并测量出单量子位保真度高达 99.3%，且可对系统进行精确调整。这些突破突显出对未来量子系统和硅自旋量子位进行低温控制的潜力，硅自旋量子位与单电子晶体管极为相似，可以集成在一个封装内。

62年前，诺伊斯发明了集成电路；55年前，摩尔则提出了摩尔定律；52年前，诺伊斯和摩尔一起创办了英特尔公司。

如今，英特尔正沿着集成电路这条思路，继续在量子计算领域驰骋。

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。