行业前瞻 | 实现量子实用性的重要里程碑？ISSCC大会英特尔解密Horse Ridge量子控制芯片

1.

前言

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2020年2月16-20日，第67届ISSCC会议期间，多项半导体量子计算、低温电子学方向研究成果于大会现场发布，包括英特尔、QuTech、CEA-Leti和CEA-IRIG在内的多所研究机构发布其最新研究成果。

ISSCC最早举办于1953年，60多年的历史积累使它成为国际上规模最大、最权威、水平最高的固态电路国际会议。

作为IEEE固态电路协会的旗舰会议，国际固态电路会议(ISSCC)是工程师和研究人员展示固态电路和系统级芯片(SoC)最新研究成果的全球性学术交流论坛，一直享有“芯片奥林匹克”的美誉，代表着芯片领域的国际最高学术水平。

大会录用和发布了全球顶尖大学及企业最新和具研发趋势最领先指标的芯片成果，各个时期国际上最尖端的固态集成电路技术通常在该大会上首发。

2.

英特尔、QuTech披露首款低温量子计算控制芯片细节 

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早在2019年12月11日，英特尔研究院就已宣布其成功研制出代号为“Horse Ridge”的首款低温控制芯片，实现了对多个量子比特的控制，可加快全栈量子计算系统的开发步伐，堪称量子实用性道路上的一个重要里程碑。

2020年2月18日，英特尔研究院联合QuTech(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ISSCC 2020年国际固态电路会议上发布了一份研究报告，首次披露了全新低温量子控制芯片“Horse Ridge”的诸多关键技术特点。

Horse Ridge解决了运行大型量子计算机的主要问题

量子计算目前面临诸多挑战，其中一个是超导量子比特仅在接近绝对零度的温度下才能真正工作。谷歌和 IBM 在研发量子计算时都需要一套体积庞大的控制和冷却系统，当量子计算机运行时，需要一根电线将每个量子比特连接到控制电子设备。

尽管这对于目前正在运行的少量量子比特是可行的，但对于实用量子计算机所需的数百万个量子比特，该方法将变得不切实际。这相当于将1200万像素的摄像头放在手机上，并试图将每100万像素分别连接到单独的电路上。

英特尔意识到，量子控制是开发大规模商用量子计算系统亟需解决的难题之一。

QuTech与英特尔合作解决了这一严峻挑战，推出代号为“Horse Ridge”的首款低温控制芯片。这是一种能够控制多达128个量子比特的CMOS集成电路，该集成电路可以在3 K（-270°C）的温度下工作，因此可以称为低温CMOS电路。

其认为 Horse Ridge 开启了一种“优雅的解决方案”，允许控制多个量子比特，并为将未来构建能控制更多量子比特的系统设定了明确的路径，是实现量子实用性的重要里程碑。

英特尔研究院首席工程师Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片。（图片来源：Walden Kirsch/英特尔公司）

英特尔实验室介绍新型低温量子控制芯片Horse Ridge技术特性

英特尔实验室（IntelLabs）详细介绍了新型低温量子控制芯片Horse Ridge的一些技术特性，英特尔表示，量子实用性涵盖了可扩展性、保真度和灵活性。          

Horse Ridge通过使用高度集成的SOC（system-on-chip），简化了目前操作此类量子系统所需的复杂控制电子设备，从而加快了设置时间，提高了量子比特性能，并有效地扩展到实际应用所需的更大量子比特数。

ISSCC论文强调了三个关键领域的技术细节：

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。

Intel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。Intel 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。”

小编说

一直以来，在量子计算机研制竞赛中，研究人员更关注量子比特的制造。本源量子的研究路线与英特尔有些相似，目前团队正在同步推进超导和半导体两种体系。

在早些时候，英特尔也是以双管齐下的方式进行研究的（既包含了超导量子，也包含硅自旋量子），从这次发布的Horse Ridge看出来，英特尔内部已经将研究技术路线更聚焦在硅自旋量子计算上。

在英特尔早期的量子硬件开发中，认定了阻止量子计算商业规模化的主要瓶颈是互连（interconnect）和控制（control electronics）。

而Horse Ridge的推出正是英特尔在量子控制系统小型化的最新尝试，它可以实现对多个量子比特的控制，为英特尔未来扩展到大规模系统铺垫了清晰的路线，提升了进一步设计、测试和优化商业化量子计算机的能力。

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