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硅量子巨匠「英特尔」，恰逢其时
光子盒研究院出品
《量子风向标》是光子盒的全新栏目。榜样是最好的说服，示范是最好的引领。我们将介绍科技巨头们的量子布局、动态，持续联动量子产业的前进、发展。
过去的五十多年里，英特尔一直是硅晶体管（用于经典计算机）的主要先驱之一。现在，它正战略性地布局量子计算。
传统上，二进制计算被称为经典计算。作为这种传统计算方法的一部分，信息被存储在比特中，在逻辑上由0（关闭）或1（打开）表示。
然而，量子计算机使用量子物理学原理，如纠缠和叠加来计算。一个量子比特能够以概率方式在多种状态下运行，从而实现前所未有的并行性和计算效率。
今天的量子系统中，只有几十或几百个纠缠的量子比特，这限制了它们解决现实世界中问题的能力。商业量子系统需要扩展到超过一百万个量子比特，并克服诸如量子比特的敏感性、创建有效算法等障碍，才能成为实用的系统。
在与工业界和学术界的合作伙伴合作后，英特尔就是这样的一家公司，它正在克服其中的一些瓶颈——并且，已经取得了重大进展。
英特尔最大的量子计算优势可能是文化上的，而不是技术上的：在过去50年里，英特尔一直在开发硅晶体管。
——我们可以说，它在量子计算的竞赛中相较大多数参与者有某种“优势”，可以实现量子技术的高性能能力。
简单地说，英特尔在经典计算中面临的巨大挑战与企业在量子领域面临的挑战是一样的：建立一支优秀的员工队伍、维护错综复杂的供应链、推动创新以实现可扩展性。虽然一些其他公司可能需要从头开始建立，但英特尔已经有几十年的经验了。
因为文化和历史是英特尔在经典计算领域的核心优势，该公司可以利用这些先天优势，在量子计算项目中取得优异成绩。
基于英特尔在大规模生产计算机设备方面的经验，使其能够扩展到满足从个人到商业到企业的需求，该公司的整体战略是以帮助量子扩展为中心。
根据英特尔的说法，今天的量子系统依赖于在稀释制冷机内放置一个量子比特芯片。多条同轴电缆被输送到芯片上。这种设置的复杂性影响了成本，这导致了极端的工程挑战、阻碍了制造能够服务于现实世界的量子计算机的努力。
现在，英特尔正利用其在大批量晶体管制造方面的专长，开发硅自旋量子比特——在更高温度下运行的、更小的计算设备。除此之外，英特尔的“马脊二号 (Horse Ridge II)”低温量子控制芯片提供了更大的集成度，同时也实现了大批量生产的测试，这有助于商业化发展。
最初的“马脊”控制芯片最初是在2019年开发的。通过操纵和读取量子比特状态，当多个量子比特被用于计算时，马脊 II 可以控制几个门的潜力。
英特尔组件研究部量子硬件总监Jim Clarke表示，马脊二号展示了英特尔量子计算的领导地位，特别是在量子低温控制领域。
“马脊二号进一步简化了量子电路控制，我们预计这一进展将带来保真度的提高和功率输出的降低，使我们向开发‘无流量’的集成量子电路又迈进了一步。”
作为其推进量子计算的一部分，英特尔还在建立一个开发者社区。宾夕法尼亚大学、代根多夫应用技术大学、庆应大学、俄亥俄州立大学和宾夕法尼亚州立大学都获得了英特尔的资助、用于开发量子课程，这些课程将与更多的大学共享，并作为这项工作的起点从而在学术界广泛使用。
在德国慕尼黑，代根多夫理工学院使用英特尔的SDK来探索空气动力学和流体力学问题。2023年年初，代根多夫理工学院还主办了英特尔的量子计算挑战赛。许多材料都研究了使用英特尔量子SDK的量子用例，如图像去噪、现实图像生成和非结构化搜索。额外的测试用户Leidos（信息技术、工程和科学整合与应用的全球领导者）正在探索诸如量子机器学习、材料模拟以及天体物理学中的虫洞和黑洞等应用。
2022年9月，英特尔发布了英特尔®量子软件开发工具包(SDK)的测试版本。2023年正式发布后，英特尔的量子自旋量子比特芯片和“马脊二号”控制芯片将与SDK的全量子计算机在模拟中实现互操作。通过使用低级虚拟机(LLVM)编译器工具链，该工具包允许开发人员在模拟中对量子算法进行编程，这使得英特尔的SDK与C/C++和Python应用程序无缝集成，从而获得了更大的灵活性和定制化。
通过SDK 1.0，经典计算开发者可以与量子开发者合作，使用他们熟悉的编程语言。这一SDK 1.0还包括一个量子运行环境，用于执行混合量子-经典算法。
根据开发者的偏好，可以使用通用的或英特尔的硬件后端来模拟量子比特。IQS（英特尔®量子模拟器）是一个高性能的通用量子比特模拟器，它是开源的、高性能的。一个IQS节点可以支持32个量子比特，多个节点可以支持40个以上的量子比特。
其次，一个目标后端模拟英特尔量子点量子比特硬件，并实现英特尔硅自旋量子比特的紧凑模型模拟。
使用SDK，用户可以确定量子计算机的系统架构需要哪些功能，来有效和准确地运行算法。该SDK也被英特尔内部用来合作开发量子硬件和软件。作为一个可定制和可扩展的平台，SDK使量子应用开发更加灵活。
除此以外，还可以对编译器进行比较，这是经典计算开发的一个标准功能，以确定一个算法的优化程度。通过查看源代码，用户可以了解一个系统如何存储数据。
未来，英特尔表示，该SDK将增强新的功能，并与英特尔的量子硬件无缝集成。
英特尔的量子计算项目旨在使设备更简单，成本更低。通过限制复杂性，英特尔量子计算工程师认为他们可以设计出可扩展的系统。
为了变得可扩展，英特尔计划创造可大规模生产的量子计算设备。如今，该公司已经在这方面取得了重大进展。
2021年5月，在代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究组织的合作中，英特尔和QuTech发表了关键的量子研究成果，以解决低温稀释制冷机中的量子芯片和控制它们的复杂室温电子设备之间的“互连瓶颈”。同行评议的科学杂志《自然》报道了这些创新，并标志着在解决量子可扩展性的最大挑战之一方面的一个重要里程碑。
关于这项合作，英特尔实验室的首席工程师Stefano Pellerano说，“与QuTech合作推动的研究成果，定量地证明了我们的低温控制器“马脊”可以在控制多个硅量子比特的同时实现与室温电子装置相同的高保真结果。我们还成功地演示了用一根电缆对两个量子比特进行频率复用，这为简化量子计算中的“布线挑战”扫清了道路。这些创新加在一起，为未来将量子控制芯片与量子处理器完全整合铺平了道路，解除了量子扩展中的一个主要路障。”
2022年10月，英特尔宣布，实现了量子计算芯片的大规模生产。采用极紫外光（EUV）光刻技术，英特尔成功地在一个300毫米晶圆上跨越了许多芯片——声称是迄今为止最高的均匀性和产量结果。该公司当时还表示，为了确定可以进一步优化制造工艺的领域，将对这些测试晶圆进行调查。
对于这一成就，英特尔表示，“英特尔继续在使用自己的晶体管制造技术制造硅自旋量子比特方面取得进展。所取得的高产量和均匀性表明，在英特尔既定的晶体管工艺节点上制造量子芯片是合理的策略，而且随着技术的成熟和商业化，这也是成功的有力指标。”
不仅如此，英特尔的研究人员在公司运营和产品线的几乎每个环节都是世界上最好的。他们特别擅长于材料研究，这种背景使他们处于量子材料的前沿。“我们正在为超越CMOS时代的计算寻找革命性的而不是进化性的方法。MESO是围绕低压互连和低压磁电技术建立的。它将量子材料创新与计算结合起来。我们对已经取得的进展感到兴奋，并期待着未来进一步降低开关电压的演示，以发挥其潜力。”
量子模拟器是英特尔量子战略的另一个重要部分。它是一个可用于云计算的高性能量子电路模拟器，为该公司提供了一个通过经典模拟探索量子计算的试验台。
要回答这个问题，我们应该再一次借鉴英特尔量子硬件总监James Clarke的智慧。
Clarke在英特尔工作了20多年，拥有哈佛大学物理化学博士学位，他认为，英特尔已经取得了一些技术进步，如开源库和新的量子比特处理器，但仍然需要更好的量子比特设备和更好质量的量子比特。“我们可以通过开发比我们目前拥有的晶体管工艺更清洁的材料、更清晰的界面来达到目的，同时也注意到我们缺少一种更复杂的互连技术。”
“通过将控制芯片与量子比特芯片共同集成，我们可以简化布线并实现更快的控制。为了实现量子实用性，我们需要证明纠错，以便拥有更稳定的量子比特，可以执行最终可能的计算类型。”
为了达到这个目标，Clarke在2022年11月的一篇公司博客文章中说：“英特尔预见了量子与经典超级计算的混合未来。现在，使用相对较少的量子比特，我们可以模拟或运行，以便量子算法可以在经典组件和量子组件之间进行共同优化。算法的一部分可能在经典系统上运行，其他数据则来自量子系统。一个非常大规模的量子计算机可能会有一个小型的超级计算机在旁边。而且，量子计算机的材料清单可能有更多来自经典计算空间，而不是来自实际的量子芯片。”
虽然目前在量子领域竞争的许多公司都在为一个全面的新量子时代做准备，但英特尔似乎将自己定位在经典和量子计算方案之间更微妙的安排，甚至是合作。
英特尔的愿景似乎是一个混合型的。在这种情况下，我们可能不会看到英特尔放弃其在经典计算领域的领导地位而采取纯粹的量子战略；我们可能不会看到它放弃它的量子进展。最有可能的是，它将采取两种系统的最佳方案。在这个经典-量子混合世界中，我们将看到英特尔在经典、高性能和量子计算领域的技术。
展望未来，英特尔的历史和“血统”将使其成为最适合领导这种混合量子未来的公司之一。
参考链接：[1]https://www.intel.co.uk/content/www/uk/en/homepage.html[2]https://www.businesswire.com/news/home/20230228005657/en/Intel-Releases-Quantum-Software-Development-Kit-Version-1.0-to-Grow-Developer-Ecosystem[3]https://thequantuminsider.com/2022/11/09/intel-quantum-computing/[4]https://www.intel.com/content/www/us/en/newsroom/opinion/journey-building-true-quantum-computer.html#gs.uq73u2[5]https://thequantuminsider.com/2023/04/26/intels-quantum-computing-2023-2/
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