英特爾推出Horse Ridge首款低溫量子計算 - 工程師

英特爾推出Horse Ridge首款低溫量子計算控制晶片

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英特爾實驗室(Intel Labs)首席工程師Stefano PelleranoStefano Pellerano展示Horse Ridge，一種新的低溫控制晶片(cryogenic control chip)將加速全棧量子計算系統的開發，象徵商業上可行的量子計算機發展的里程碑。

英特爾實驗室於2019年底發布了被認為是同類產品中首例的低溫控制晶片(代號：Horse Ridge)，將加速全棧量子計算系統(full-stack quantum computing systems)的開發。Horse Ridge將實現對多個量子位（qubits）的控制，並為擴展大型系統設定了明確的途徑，這有機會實現量子實用化的重要里程碑。

該低溫控制晶片Horse Ridge由英特爾與QuTech共同開發，該技術來自荷蘭TU Delft理工大學和荷蘭應用科學研究組織TNO之間的合作成果。Horse Ridge是使用英特爾的22nm FinFET低功耗（22FFL）技術製造，藉由英特爾內部製造將提高該晶片自主設計能力，進行測試和優化商業上在量子計算機的可行性。

英特爾認為，量子控制是開發大規模商用量子系統需要解決的重要難題之一，所以投資進行量子誤差校正和控制。

現今，量子計算機功能競賽中，大部分研究人員廣泛地關注於量子位的製造、構建測試晶片，以證明少數以疊加方式運行的量子位的指數能力。但是，在早期的量子硬體開發中，英特爾專注於矽自旋量子位和超導量子位系統的設計及測試，並且確定了量子計算實現商業規模的主要瓶頸主要課題：互連和控制電子。

該Horse Ridge之潛力來看，目前，研究人員一直致力於構建小型量子系統，以證明量子裝置的潛力。但有些研究人員依靠現有的電子工具和高性能計算規模的儀器，將低溫冰箱內部的量子系統與調節量子位性能、並對系統進行編程的傳統計算設備相連接。

這些量子設備通常是定制設計的，以控制各個量子位，需要數百根連接線進出冰箱才能控制量子處理器。每個量子位的大量控制電纜將阻礙將量子系統縮放至證明量子實用性所需的數百或數千個量子位的能力，更不用說商業可行的量子解決方案所需的數百萬個量子位了。

借助Horse Ridge，英特爾從根本上簡化了運行量子系統所需的控制電子設備。用高度SoC系統（SoC）代替這些笨重的儀器將簡化系統設計，並允許使用複雜的信號處理技術來加快設置時間，改善qubit性能，並使系統有效地擴展到更大的qubit數量。

其實，Horse Ridge就是高度SoC混合信號，它將量子位控制引入量子製冷水機中以盡可能靠近量子位本身。它有效地降低了量子控制工程的複雜性，從進出冷水箱的數百根電纜到在量子設備附近運行的單一整合封裝，都可以實現。

Horse Ridge設計為充當射頻（RF）處理器，以控制冷水箱中的量子位，並使用與基本量子位操作相對應的指令進行編程。它將這些指令轉換為電磁微波脈衝，可以控制量子位的狀態。

隨著研究的進展，英特爾的目標是使低溫控制和矽自旋量子位在相同的溫度水平下運行。這將使該公司能夠利用其在高階封裝和互連技術來建構一種解決方案，將量子位和控制元件整合在一片封裝晶片中。

英特爾實驗室與TU Delft及TNO共同成立的研究機構QuTech合作，於舊金山舉行的2020年國際固態電路研討會（ISSCC）發表的研究論文中，概述了其新型低溫量子控制晶片Horse Ridge的關鍵技術特性。該研究論文中提及的關鍵技術細節包括可擴展性，採用英特爾22奈米製程技術實現的整合式系統單晶片設計，將四個射頻通道整合到單一裝置當中。每個通道都可以利用分頻多工的方式控制多達32個量子位元，該技術將可用的總頻寬劃分為一系列不重疊的頻帶，每個頻帶均用於承載獨立的信號。Horse
Ridge利用這四個通道，可透過單一裝置控制多達128個量子位元，從而大幅減少了先前所需的電纜和機架儀器的數量。

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