英特尔发布Horse Ridge低温控制芯片，加速全栈量子计算系统开发

InfoQ 12月10日消息，英特尔研究院于本周一发布了代号为“Horse Ridge”的首款低温控制芯片，以加速全栈量子计算系统的开发。Horse Ridge将实现对多个量子位的控制，并为向更大的系统扩展指明方向，英特尔称这是实现量子实用性的重要里程碑。

解决互联瓶颈

据悉，Horse Ridge芯片系英特尔与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）共同开发。其中，控制芯片的制造在英特尔内部完成，它主要采用了英特尔22纳米FinFET技术，在内部制造这些控制芯片将提高英特尔在设计，测试和优化商业上可行的量子计算机的能力。

在实现量子计算机的功能和潜力的竞赛中，研究人员广泛关注量子位的制造，构建测试芯片，以证明以叠加方式运行的少数量子位就能指数级提高计算能力。但在早期的量子硬件开发过程中，英特尔发现实现商业规模量子计算的主要瓶颈是互连和控制电子设备。凭借Horse Ridge，英特尔推出了一个精巧的解决方案，它能够控制多个量子位，并为系统将来扩展到更多的量子位指明方向，这是实现量子实用性道路上的一个重要里程碑。量子实用性是指量子计算可以处理常规计算机无法以更快的速度解决的问题的状态。

英特尔量子硬件总监Jim Clarke 表示：“虽然人们非常重视量子位本身，但同时控制多个量子位仍是业界的一大挑战。英特尔认识到，量子控制是大规模商用量子系统开发过程中的核心环节，这也是英特尔投资量子纠错和控制技术的原因。通过Horse Ridge，英特尔开发了一个可扩展的控制系统，能够大大加快测试速度并实现量子计算的潜力。”

目前，研究人员已使用现有的电子工具和高性能计算机架级仪器，将低温冰箱内的量子系统与调节量子位性能并对系统进行编程的传统计算设备相连。这些设备通常是定制设计以控制单个量子位，如果要控制量子处理器，则需要数百根连接线进出冰箱。然而，这种针对每个量子位的广泛控制布线将会束缚量子系统的能力，使其无法扩展到证明量子实用性所需要的成百上千个量子位，更不用说商业可行的量子解决方案所需的数百万个量子位了。

Horse Ridge为上述问题提供了解决方案，它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中，以尽可能靠近量子位本身。Horse Ridge有效地降低了量子控制工程的复杂性，从进出冰箱的数百根电缆简化到在量子设备附近运行的单个一体化套件，英特尔称这是首创。此外，通过用高度集成的系统芯片（SoC）来代替这些庞大的仪器，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。

向量子实用性“终点线”迈进

在许多量子计算机中，必须在特殊的冰箱内将量子位保持非常冷，接近原子停止移动的温度。但这使得将电线连接到量子位以发送和接收信息非常困难。这些电线中的大多数和其他电子设备都必须放在专用冰箱的外面。

英特尔表示，Horse Ridge芯片的设计使其能够放置在量子冰箱内部。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开尔文的低温下工作。直观来说，4开尔文仅比绝对零度高一点点，其温度之低，几乎让原子停止运动。

Horse Ridge被设计成一个射频（RF）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。

随着研究不断取得进展，英特尔的目标是让低温控制和硅自旋量子位在相同的温度下工作。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，这将极大地减少冷却量子系统的挑战。

早在今年10月底，谷歌宣布实现量子霸权时，英特尔对谷歌的成果表示祝贺的同时，也强调，实现商业上可行的量子计算系统是一场“马拉松”，应该继续向着实现“量子的实用性”这一终点线迈进。英特尔希望Horse Ridge芯片未来能让它的量子计算机更实用。尽管谷歌于今年年初制造了类似的低温芯片，但英特尔称Horse Ridge是第一款旨在控制多种量子位（超导和硅自旋量子位）的低温芯片。