英特爾和QuTech披露首款低溫量子計算控制芯片“Horse Ridge”細節

英特爾研究院聯合QuTech（由荷蘭代爾夫特理工大學與荷蘭國家應用科學院聯合創立），在舊金山舉辦的2020年國際固態電路會議（ISSCC）上發布了一份研究報告，概述了其全新低溫量子控制芯片Horse Ridge的關鍵技術特點。該報告揭示了Horse Ridge的關鍵技術能力，這些能力為強大量子系統的構建解決了一系列重大挑戰，使該系統能夠體現量子實用性：可擴展性、靈活性和保真度。

英特爾研究院量子硬件總監Jim Clarke表示：“如今，量子研究人員只用到少量的量子位，他們使用的是規模較小、定制化的系統，有著復雜的控制和互連機制。英特爾的Horse Ridge大大降低了這種復雜性。為了實現量子實用性需要數千個量子位，而通過系統性地將規模擴展至數千個量子位，我們正繼續穩步推進，讓商業上可行的量子計算在未來成為現實。”

英特爾研究院首席工程師Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片。新款的低溫控制芯片將加快全堆棧量子計算系統的發展，在商業上可行的量子計算機發展進程中，這是一個重要里程碑。（圖片來源：Walden Kirsch/英特爾公司）

落實量子實用性是一場漫長的馬拉松，而量子研究界目前才剛剛跑完這場馬拉松的頭一公里。要想將量子計算應用于實際問題，就必須能擴展到數千個量子位，同時還要控制這些量子位，并保證高保真度。Horse Ridge使用高度集成的片上系統（SoC）來加快設置速度，極大地簡化了當前運行量子系統所需的復雜控制電子設備，并改進了量子位性能，同時還使系統能夠高效擴展到量子計算所需的更多量子位，以便解決實際存在的現實應用問題。

研究報告中包括的關鍵技術細節：

可擴展性：采用英特爾22nm FFL（FinFET低功耗）CMOS技術部署的集成式SoC設計，將4個射頻（RF）頻道集成到一個設備之中。利用“頻率復用”技術，每一個頻道可以控制多達32個量子位。該技術將多路基帶信號調制到一系列不重疊的頻帶上，每個頻帶用來傳送單獨的信號。

利用這4個頻道，Horse Ridge可望通過單個設備控制多達128個量子位，與以往相比能顯著減少所需的電纜和機架儀表數量。

保真度：量子位數量的增加會其他問題，對量子系統容量和運行提出挑戰。這方面的潛在影響之一就是量子位保真度和性能的下降。在開發Horse Ridge的過程中，英特爾優化了頻率復用技術，該技術可以支持系統擴展，并減少“相移”錯誤。相移是指在不同頻率控制多個量子位時出現的一種現象，會導致量子位之間的串擾。

Horse Ridge使用的多個頻率可以高精度“調諧”，使量子系統在用同一射頻線路控制多個量子位時，能夠適應并自動校正相移，提高量子門保真度。

靈活性：Horse Ridge可以覆蓋很寬的頻率范圍，能夠控制超導量子位（稱為傳輸子）和自旋量子位。傳輸子的頻率通常在6千兆赫（GHz）至7千兆赫左右，而自旋量子位頻率則為13千兆赫至20千兆赫左右。

英特爾正在研究硅自旋量子位，這種量子位有可能在高達1開爾文的溫度下工作。有了這項研究奠定的基礎，英特爾有望成功集成硅自旋量子位器件和Horse Ridge的低溫控制器，從而創建一種解決方案，將量子位和控制器件集成到一個精簡封裝中。

英特爾參加ISSCC大會的日程安排： 在2月18日星期二太平洋時間13:30 的ISSCC第19場分會上，英特爾和QuTech將通過一篇研究報告展示他們的合作研究成果，該報告題為“用于量子計算機22nm FinFET技術中4×32頻率復用自旋量子位/傳輸子的可擴展Cryo-CMOS 2-to-20GHz數字密集型控制器”。