对话英特尔：量子计算发展速度难超摩尔定律
光子盒研究院出品
英特尔是量子计算的积极参与者，但很长一段时间，英特尔没有向用户提供一款可以使用的量子处理器。在10月的2022英特尔创新大会上，随着量子SDK(软件开发套件)测试版的发布，英特尔加入IBM、谷歌的行列，成为一家全栈量子计算公司。
英特尔量子SDK包括一个基于C++的直观用户界面、一个基于底层虚拟机(LLVM)的编译器工具链、一个针对执行混合量子经典算法而优化的量子运行时环境，以及一个高性能的英特尔量子模拟器(IQS)量子比特目标后端。未来的版本还将采用不同的目标后端，包括量子点量子比特模拟器，最终将提供英特尔量子点量子比特设备。
近日，英特尔的量子硬件总监James Clarke谈论了英特尔的量子战略，英特尔表示，自己在人们熟悉的兔子和乌龟的寓言中扮演着乌龟的角色。Clarke说：“我不相信量子计算明天就将改变世界，我也不相信它将永远不会发生。我相信它将以类似于半导体行业创新的节奏发生。”
James Clarke
问：为什么英特尔是对的，而那些吹嘘量子计算更早取得突破的人是错的？
James Clarke
Intel
从计算机的历史说起，第一台通用计算机是ENIAC。它是在二战结束前开始研发，但直到二战结束后才开始使用；它的目的是计算火炮的弹道。它有几千个真空管，可以看到它在布线和操作方面的样子，并持续了大约10年。直到ENIAC几年后，才有了第一个晶体管；我可以把它称为微观的，但实际上，人们几乎可以用肉眼看到它。这之后，便是微电子行业的开始。但直到1958年，才有了第一个集成电路，也就是第一个单片硬件。
ENIAC系统
James Clarke
Intel
Robert Noyce是集成电路的发明人之一，也是英特尔的创始人之一。直到13年后，我们才有了英特尔4004，这被普遍认为是第一个微处理器，上面有2500个晶体管；这是摩尔定律的开始。从那里到一百万个晶体管，直到1990年左右，才在一个芯片上实现了一百万个晶体管。我将它与量子计算相提并论，是因为大多数人都认为，将需要大约一百万个量子比特来提供商业上可行的产品。例如，可以破解（安全）代码的东西，大约需要一百万个量子比特。这里，从第一个晶体管到第一个百万晶体管芯片花了43年。
那些认为我们可以从几十个量子比特发展到有商业量子优势的水平的人是错误的；我认为这个时间框架可能与（微电子）的时间框架相当。不过，考虑到（量子）界自90年代末以来一直以多种形式进行研究，有人认为从现在开始的10到15年内，我们会实现商业量子优势也不是没有道理的。
问：每一种量子比特技术都宣称有独特的优势，如保真度、切换速度、可扩展性等。英特尔的量子比特有什么特别之处？
James Clarke
Intel
我们的量子比特与其他技术路线不同。例如，IBM、谷歌或其他正在做超导量子比特的公司，而我们在硅中做自旋量子比特：它们看起来很像一个晶体管。我们正在做的是将量子比特的|0⟩和|1⟩编码为单个电子的自旋；我们本质上是在制造单电子晶体管。我们在英特尔最大的工厂里做这个，即位于俄勒冈州希尔斯伯勒的RP1工厂和D1工厂。我们在那里做最新的CMOS或逻辑芯片。一旦有了量子比特，将需要控制这些量子比特：将信号送入并读出量子比特的状态。我们有两种方法做到这一点：第一种是我们使用基于英特尔FPGA的室温控制电子器件来制作控制箱。
英特尔基于硅的量子比特
James Clarke
Intel
然而，让许多电线（从控制箱）进入稀释制冷机来控制芯片是有点站不住脚的。我们要做的是把我们的控制电子装置放在非常接近制冷机中的量子比特芯片的地方。这就是Horse Ridge系列芯片。我们优化了我们的设计，使其在4开尔文的条件下发挥性能，也就是绝对零度以上的四度，即269.15℃。现在，我们正在开发第二代，并有一些今天正在测试的这种芯片的衍生品。
但这还不够。英特尔不仅擅长制造，我们也擅长架构。因此，我们需要一个量子架构，我们在堆栈的底部有编译器、运行时间、处理器。今天，我们有英特尔的量子模拟器。英特尔实际上是最早拥有量子模拟器的公司之一，而且它是开源的。它模拟了抽象的量子比特。在10月初的英特尔创新活动上，我们推出了英特尔量子软件开发者工具包（SDK）。我们正开始与开发人员和外部合作伙伴就我们的软件套件进行接触。现在，英特尔可以模拟更多、更好的量子比特，开发人员也正在以一种不同于其他的方式做事情，这些开发人员可以接触到系统将如何工作。稍后，我们将实现实际自旋量子比特的模拟。在2023年，我们将用实际的自旋量子比特硬件将一切联系起来。
据我所知，很少，也许只有一家公司能够在内部完成所有这些工作，而不必与其他公司合作来实现其中的一部分，无论是制造、控制还是架构。
问：成为一个全栈式的量子公司是否有必要，甚至是最好的方法？
James Clarke
Intel
实际上，这是一个很好的问题。我可以说两件事。当然，英特尔作为一个IDM（集成设备制造商），认为传统晶体管的工艺控制和架构的共同优化提供了性能优势。我们同样这样看待量子技术。例如，现在可能有10种不同类型的量子比特，也许有5或6种被经常谈论。想象一下，如果有一家公司只专注于软件，他们要想拥有一个商业模式，就必须同样关注所有不同类型的量子比特，或者成为其中一种的专家。
对我来说，在这个阶段，我认为通过优化整个系统可以获得更多东西。
问：英特尔将在2023年推出自己的量子处理器(QPU)，能告诉我们关于即将推出的英特尔量子处理器的情况吗？
James Clarke
Intel
现在，我们正朝着12量子比特芯片前进。12量子比特比业内其他一些人做的要少，但我们相信我们的量子比特系统会有相当大的规模。自旋量子比特的大小与晶体管相当，也就是说它们比超导量子比特小一百万倍。
问：英特尔将如何提供对其最初的12比特QPU的访问？是通过英特尔的云，还是使用现有的公共云门户之一？
James Clarke
Intel
与我们的软件开发工具包一起，在最早的阶段，将通过英特尔专有的能力（英特尔开发者云）提供访问。从长远来看，我认为我们将如何提供它还有待观察。
问：如何看待英特尔量子系统成为HPC的一部分？长远来看，它是否将与目前围绕英特尔处理器的开发者社区非常相似？
James Clarke
Intel
让我把它分成几部分。大规模的量子计算机将需要一个高性能的计算机或小型超级计算机来帮助处理数据，我们的愿景是将英特尔量子计算机与英特尔超级计算机捆绑在一起。事实上，整个大系统的材料清单可能更多的是在超级计算机上，而不是在量子计算部分。任何类型的系统、任何类型的算法，都会有部分被输入到经典计算机，部分被输入到量子计算机，它们将协同工作。
我认为现在要知道这两个系统如何合并还为时过早。我可以告诉你，我们在英特尔的团队正在研究这些算法，（用于）经典和量子的混合算法。开发者社区很可能要发展一下，学习如何将算法的部分分离出来，并发送到量子计算机上。
问：你认为，会有一种量子模式胜出吗？或者有两到三种？
James Clarke
Intel
这是个好问题。我认为外面的大公司，包括英特尔，还有IBM和谷歌，目前都专注于通用量子计算机研发。每一个系统都有稍微不同的拓扑结构——量子比特的连接方式、运行方式。但如果可能有一个一定规模的系统，而可以通过容错量子比特的数量来表征系统，我希望最大的系统是最好的系统，不管它是什么。
如果有十种不同的量子比特类型，我预计不会有超过两种类型达到这个阶段，如果只有一种量子比特的类型胜出，我也不会感到惊讶。
问：一些量子计算公司报告说他们今天已经有了一些应用。虽然大多数都是真正的原型应用，没有在生产环境中使用，但D-Wave说，洛杉矶港的一个码头正在通过量子计算优化集装箱的移动系统。你认为近期是否会有类似能够提供量子优势的应用？
James Clarke
Intel
这是个大问题。五年前，当许多公司开始对他们的量子项目更加公开时，每个人都认为我们现在会有这些应用。如果你回头看看出版媒体，大多数公司认为到2022年或2023年就会有商业量子系统。英特尔的看法非常一致，因为我们知道开发一项新技术需要多长时间。即使我们在晶体管技术方面以两年为周期，这些技术的开发时间也是10到12年。我还没有看到任何迹象表明在短期内会有提供巨大商业优势的应用。
现在这意味着什么呢？也许会有一个应用程序击败商业的、经典的计算机，但它不太可能是一个能赚大钱的应用程序。而这才是我们最终关心的，会改变世界的东西。
问：到目前为止所讨论的速度提升也是有限的？
James Clarke
Intel
是的，Shor算法在量子计算机上有一个可证明的速度提升，但它还没有被实现。据我所知，优化问题没有可证明的速度提升，也就是说，没有一个数学证明这个优势。
问：英特尔明年有什么计划？
James Clarke
Intel
我们正在使用我们的量子控制芯片Horse Ridge的独一无二的功能，表征我们的12比特量子计算芯片，开发一个更大的阵列芯片。
Horse Ridge II是英特尔的第二代低温控制芯片，将量子计算机运行的关键控制功能带入低温制冷机，以简化量子系统控制线路的复杂性。
问：正如你所指出的，在把量子计算设备带出实验室并把它们变成有用的设备方面，还处于早期阶段；你认为在接下来的几年里，我们会在技术的发展上看到惊喜吗？
James Clarke
Intel
唯一的惊喜是，那些认为（进展）会很快的人是在愚弄自己。我们选择一个看起来完全像晶体管的量子比特是有原因的：我们可以使用我们的工具箱中用于制造晶体管的所有工具来制造我们的量子比特。如果你把一群人拉到一起问：“量子计算比经典计算更难吗？”每个人都会说，是的；那么，为什么应该认为量子计算会以比摩尔定律更快的速度发展呢？不要只根据过去来预测未来，但没有迹象表明它可以发展得那么快。
事实上，我唯一想说的是，我们越是复制摩尔定律工具箱中的工具，我们就能走得越快。我不认为他们实际上会有任何惊喜。我认为它将以缓慢、稳定的速度发展，许多计划快速获利的人将会感到失望，甚至可能迷失方向。
问：与集成电路发展的早期不同：集成电路的发展主要来自于两个特定的项目：“民兵”（the Minuteman）和阿波罗计划，现在有很多来自政府和工业界的资金和努力涌入量子计算。考虑到正在进行的量子开发的人员数量、多样性和强度，你仍然没有看到开发过程的加速？
James Clarke
Intel
这是个很好的问题。我们认为公共/政府资金投资量子，在世界各地可能是240亿美元左右。这是个很大的数字。问题是，现在至少有五种量子比特类型：这些巨大资金正分散在许多技术中，而且很少有重叠的技术。
类比晶体管、微电子行业在90年代与“半导体制造技术战略联盟”（Sematech）一起发展，胜利者是那些采用这些少数选项并使之成为现实的人。现在，我们有一大堆不同的技术在那里，而完全没有重叠。因此，真的不存在像半导体行业那样的竞争前合作，这也稀释了可用于加速努力的资金数量。
问：美国能源部正试图在他们的量子中心和他们的量子测试平台上促进更多的私人和公共合作。英特尔实际上参与其中了吗？
James Clarke
Intel
是的，我们正在参与Q-NEXT（位于阿贡国家实验室）的项目。
James Clarke
Intel
最后，我想说的是，政府的所面临的挑战是，想集合一个巨大的科技合作，但基本上是给每个教授一个学生来工作：没有任何整体性的工作可以完成。这将是一个问题，也是我们一直要求注意的事情：采取巨大的努力，但把它分散在大量的技术上，意味着不太可能加速任何事情。
参考链接：
https://www.hpcwire.com/2022/12/13/intel-quantum-wisdom-think-quantum-is-powerful-youre-right-think-it-will-happen-soon-youre-mistaken/