英特尔和QuTech共同解密全新低温量子控制芯片Horse Ridge

英特尔研究院联合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），在旧金山举办的2020年国际固态电路会议（ISSCC）上发布了一份研究报告，概述了其全新低温量子控制芯片Horse Ridge的关键技术特点。该报告揭示了Horse Ridge的关键技术能力，这些能力为强大量子系统的构建解决了一系列重大挑战，使该系统能够体现量子实用性：可扩展性、灵活性和保真度。

英特尔研究院首席工程师Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片。新款的低温控制芯片将加快全堆栈量子计算系统的发展，在商业上可行的量子计算机发展进程中，这是一个重要里程碑。（图片来源：Walden Kirsch/英特尔公司）
 
英特尔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。英特尔的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。”
 
落实量子实用性是一场漫长的马拉松，而量子研究界目前才刚刚跑完这场马拉松的头一公里。要想将量子计算应用于实际问题，就必须能扩展到数千个量子位，同时还要控制这些量子位，并保证高保真度。Horse Ridge使用高度集成的片上系统（SoC）来加快设置速度，极大地简化了当前运行量子系统所需的复杂控制电子设备，并改进了量子位性能，同时还使系统能够高效扩展到量子计算所需的更多量子位，以便解决实际存在的现实应用问题。
 
研究报告中包括的关键技术细节：
 
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。
 
英特尔正在研究硅自旋量子位，这种量子位有可能在高达1开尔文的温度下工作。有了这项研究奠定的基础，英特尔有望成功集成硅自旋量子位器件和Horse Ridge的低温控制器，从而创建一种解决方案，将量子位和控制器件集成到一个精简封装中。
 
英特尔参加ISSCC大会的日程安排： 在2月18日星期二太平洋时间13:30 的ISSCC第19场分会上，英特尔和QuTech将通过一篇研究报告展示他们的合作研究成果，该报告题为“用于量子计算机22nm FinFET技术中4×32频率复用自旋量子位/传输子的可扩展Cryo-CMOS 2-to-20GHz数字密集型控制器”。

英特尔Horse Ridge出击 解决影响量子可扩展性的关键障碍

英特尔研究院一直在与QuTech联手推进量子硬件和软件生态系统的研究，力图在未来实现量子计算机的商业应用。而整个行业在商业规模量子计算领域所面临挑战中，互连和控制电子设备是其中主要瓶颈。
 
构建容错型商业规模量子计算机，需要一个同时适用于量子位和控制电子设备的可扩展架构。Horse Ridge是一款高度集成的片上系统（SoC），提供了一个巧妙的解决方案来实现对多个量子位的高保真度控制，这是通往量子实用性的一个重要里程碑。
 
Horse Ridge特性

Horse Ridge是一款高度集成、混合信号的低温片上系统（SoC），硅片面积为4 x 4 mm2，采用英特尔22nm FFL （FinFET低功耗）CMOS技术。Horse Ridge将静态随机存取存储器（SRAM）、数字核心和模拟/射频（RF）电路集成到单个封装中，用微波脉冲操纵量子系统中量子位的状态。
 
集成式高速数模转换器和宽带上变频器，频率在2-20千兆赫（Ghz）之间。

脉冲整形的幅度和相位调制信息（18Gb/s）存储在片上SRAM中，支持最高41μs的包络，该包络由查找表（LUT）提供信息，该表可为每个量子位定义8条指令。
 
利用LUT降低了控制器所需的数据速率，通过在外部触发器上执行集成可编程指令集，在指令之间延迟最小的情况下，数据速率进一步降低到约1kb/s。
 
Horse Ridge在同一个设备中有4个射频（RF）频道，并利用频率复用控制多达128个量子位。每一个射频频道均使用直接数字合成，带有32个数控振荡器，以200 Hz的高精度产生32个复用量子位频率。
 
Horse Ridge关键优势
 
缩小了运行量子系统所需的外形尺寸（芯片和PCB大小）并减少了所需的功率。
 
能够扩展和控制更多的量子位（多达128个量子位）
 
Horse Ridge高度灵活的脉冲控制能力降低了量子位之间的串扰，并提高了整体量子门保真度。
 
该芯片可以自动校正相移（使用同一射频线路控制不同频率的多个量子位时会发生这一现象），并在每次控制电子器件脉冲后更新数字代码。