量子計算的下一步是什么？

著名科幻作家威廉·吉布森曾說過：“未來已來；只是分布不是很均勻。” 這是英特爾高級研究員、副總裁兼英特爾實驗室主任 Rich Uhlig 在最近的英特爾實驗室日上的開場詞。在活動期間，英特爾重點介紹了跨多個領(lǐng)域的研究計劃。其中一個特別是量子計算，其中引入了第二代馬嶺低溫量子控制芯片。

談到技術(shù)的潛在利益分布不均，Rich Uhlig 強調(diào)了基因分型技術(shù)和家庭 DNA 測試在今天是可用的，但它們并不能大規(guī)模地提供給世界人口，這證明未來并不是“分布均勻的”。同時，從 IT 的角度來看，必須大規(guī)模移動、存儲、分析、保護和計算大量數(shù)據(jù)。地球上越來越多地被傳感器覆蓋，每天都在產(chǎn)生大量新數(shù)據(jù)。新的挑戰(zhàn)即將到來。

我們需要跨越計算和內(nèi)存互連的不同技術(shù)領(lǐng)域進行巨大改進。英特爾認為，這些收益需要一種新的思維方式，當專家可以通過交叉多學科知識、科學和技術(shù)領(lǐng)域進行協(xié)作時，它們就會出現(xiàn)。英特爾在此次活動中強調(diào)了其中一個領(lǐng)域：量子計算。

近年來，量子計算一直是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域，許多不同的公司都在研究它。量子計算機有一些獨特的特性，使它們非常強大。

在接受 EE Times 采訪時，英特爾實驗室量子應(yīng)用和架構(gòu)總監(jiān) Anne Matsuura 博士與英特爾量子硬件總監(jiān) James Clarke 博士在活動中就該主題發(fā)表了演講，重點介紹了顛覆性技術(shù)的應(yīng)用并更深入地了解英特爾的量子努力。

新材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計是使用量子技術(shù)可能產(chǎn)生有意義影響的早期應(yīng)用之一?！拔覀兿嘈牛虡I(yè)規(guī)模的量子計算機將允許模擬這些材料，以便在未來，我們還可以設(shè)計具有所需特性的材料和化學品，”松浦說?！敖裉斓?100 個量子位甚至數(shù)千個量子位不會導致我們得到這個結(jié)果。我們將需要一個具有數(shù)百萬量子比特的商業(yè)規(guī)模的量子計算機系統(tǒng)，以實現(xiàn)這種雄心勃勃的問題解決的量子實用性。”

什么是量子比特？量子與經(jīng)典計算

量子比特是量子系統(tǒng)和量子力學某些元素的信息“比特”。但是量子比特是如何物理創(chuàng)建的呢？電子設(shè)備如何有效控制量子系統(tǒng)中的量子比特？

與傳統(tǒng)位不同，量子位不是以零或一狀態(tài)存在，而是同時以兩種狀態(tài)的“疊加”存在。此外，在量子處理器中，可以有更多處于疊加狀態(tài)的量子比特相互連接，以至于它們表達了一種稱為糾纏的群體行為。這種糾纏狀態(tài)是量子計算機令人難以置信的計算能力的基礎(chǔ)，也是它們解決傳統(tǒng)超級計算機能力之外的復(fù)雜任務(wù)的潛力的來源。

作為 Rich Uhlig 實驗室日主題演講的一部分，Matsuura 為量子部分做了介紹性演講，介紹了英特爾在做什么以及最新的市場發(fā)展。

“獲得關(guān)于量子計算的直覺的一個簡單方法是將計算機比特視為一枚硬幣，”她說。“它可以處于正面狀態(tài)或反面狀態(tài)——它要么處于一種狀態(tài)，要么處于另一種狀態(tài)。現(xiàn)在想象硬幣在旋轉(zhuǎn)。它在旋轉(zhuǎn)時，從某種意義上說，它同時處于正面狀態(tài)和反面狀態(tài)；它是兩種狀態(tài)的疊加?！?/p>

這類似于量子位或量子位。Matsuura 補充說：“現(xiàn)在想象一下，我們將兩個量子比特放在一起并將它們糾纏在一起?，F(xiàn)在我們同時有四個狀態(tài)。所以兩個糾纏的量子比特同時代表四種狀態(tài)的混合。更一般地說，n 個量子比特代表2n個狀態(tài)?！?/p>

量子計算機的計算能力隨著量子比特的數(shù)量呈指數(shù)增長。理論上，如果我們有 50 個這樣的糾纏量子比特，我們可以訪問比任何可能的超級計算機更多的狀態(tài)。如果我們有 300 個糾纏的量子比特，我們可以同時表示比宇宙中的原子更多的狀態(tài)。

與經(jīng)典計算機一樣，量子計算機由由基本量子邏輯門組成的量子電路組成。量子計算機有可能解決傳統(tǒng)計算解決方案無法解決的問題。底層技術(shù)是量子物理學；因為一個量子比特（或量子比特）可以同時存在于多個狀態(tài)，它可以用來同時計算所有可能的狀態(tài)，顯著加快了復(fù)雜問題的解決速度。

“量子比特沒有很長的壽命，噪音或觀察會導致信息丟失，”松浦說。“因此，在現(xiàn)實中，我們需要數(shù)十萬甚至更可能是數(shù)百萬的高質(zhì)量量子比特來用于商業(yè)規(guī)模的量子計算機。換句話說，我們需要對量子進行擴展才能對實際應(yīng)用有用。英特爾的量子研究計劃專注于幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：自旋量子比特技術(shù)、低溫控制技術(shù)和全棧創(chuàng)新。這些領(lǐng)域中的每一個都解決了與擴展量子相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，英特爾正在系統(tǒng)地解決每一個問題以實現(xiàn)擴展?！?/p>

量子位技術(shù)

量子位在我們今天看到的小型量子計算系統(tǒng)中可用。它們的質(zhì)量和數(shù)量根本不足以讓它們進入商業(yè)規(guī)模的系統(tǒng)。我們將需要有許多穩(wěn)定或抗噪聲的量子位以及量子位之間的高效連接，以擴展到具有數(shù)百萬個能夠運行量子算法的商業(yè)規(guī)模的量子計算機。在松浦的演講之后，詹姆斯克拉克發(fā)表了有趣的演講。

克拉克指出，英特爾有興趣打造擁有數(shù)百萬個量子比特的量子計算機?！拔覀冋谑褂门c晶體管相同的技術(shù)來構(gòu)建我們的量子比特芯片。我們正在使用 CMOS 控制電子設(shè)備控制我們的量子比特，這些電子設(shè)備是用我們的晶體管技術(shù)制造的?！?/p>

短期應(yīng)用將在化學、材料、生物學和醫(yī)學領(lǐng)域。從長遠來看，正在尋求優(yōu)化算法、密碼學和機器學習等應(yīng)用。

克拉克指出，有很多方法可以為量子計算機制造量子比特。第一個是捕獲離子，您可以在其中使用激光研究金屬離子的激發(fā)態(tài)。這些激發(fā)態(tài)可以代表零和一個量子位。這項技術(shù)實際上與 2012 年獲得諾貝爾物理學獎的原子鐘非常相似。

第二種技術(shù)是超導量子比特技術(shù)，其中超導金屬的小環(huán)用于基本上創(chuàng)建一個人造原子，其狀態(tài)代表零和系統(tǒng)之一。

第三種技術(shù)是硅量子點或自旋量子比特，它本質(zhì)上控制電子的自旋，而自旋代表量子比特的零和一態(tài)。“我們認為這對英特爾來說是一項非常有趣的技術(shù)，”克拉克說。

與晶體管的類比使我們能夠解釋這項最新技術(shù)。晶體管本質(zhì)上是一個開關(guān)。當您施加電壓或電位時，就會有電流流過設(shè)備。

“晶體管是地球上最無所不在的人造物體，”克拉克說?！霸谟⑻貭枺覀兿嘈盼覀兠磕瓿鲐?800 萬億個晶體管；這是一個不可思議的數(shù)字。事實是，地球上的每一個人每天每一分鐘都有幾個晶體管。有人預(yù)測，到本世紀中期，地球上的晶體管數(shù)量將超過人類細胞的數(shù)量。晶體管無處不在。”

不是讓許多電子的電流流過器件，而是捕獲單個電子。在該設(shè)備中，創(chuàng)建了單個電子晶體管。通過將許多這樣的單個晶體管組合在一起，我們可以創(chuàng)建一個電子網(wǎng)絡(luò)。通過控制各個晶體管之間的電位，我們實際上可以控制兩個相鄰電子之間的相互作用。

單個電子晶體管在磁場中的參與將導致該單個電子具有兩種用于量子比特的能量狀態(tài)?！坝袃煞N狀態(tài)，我們基本上是在控制一個電子，”克拉克說?！拔覀儎?chuàng)建旋轉(zhuǎn)量子比特的方式與我們創(chuàng)建晶體管的方式相同。有兩種狀態(tài)，我們本質(zhì)上是在控制一個電子。我們制造自旋量子比特的方式與制造晶體管的方式相同。我們當前的技術(shù)基于 fin-FET 幾何結(jié)構(gòu)；我們正在以基于鰭的相同方式制造我們的量子比特結(jié)構(gòu)?！?/p>

在這一點上，改進量子位技術(shù)涉及解決與晶體管相同的挑戰(zhàn)，即尺寸可變性、柵極氧化物缺陷和電壓可變性。在此過程中，快速表征量子位非常重要。

量子位控制

量子計算的挑戰(zhàn)之一是量子位控制。正如松浦指出的那樣，這些量子信息非常脆弱。

今天的量子比特由許多電子機架控制，這些電子機架具有連接到量子比特的復(fù)雜接線，這些電子機架位于低溫冰箱中，以保護脆弱的量子比特免受商業(yè)規(guī)模量子計算的熱噪聲和電噪聲的影響?！斑@是英特爾正在利用具有可擴展互連的低溫量子位控制芯片技術(shù)解決的一個領(lǐng)域，”Matsuura 說。

制造更多的量子比特會導致產(chǎn)生數(shù)百萬條線路，這使得硬件過于復(fù)雜。英特爾為提高布線效率而采取的一種方法是使用基于 CMOS 技術(shù)的技術(shù)使控制非常接近量子芯片。從長遠來看，它將允許使用更少的電線和更優(yōu)雅的互連系統(tǒng)。該技術(shù)是英特爾的 Horse Ridge，采用英特爾的 22FFL CMOS 工藝生產(chǎn)。其功能已在 4 開爾文得到驗證。

在英特爾實驗室活動期間，該公司推出了其第二代低溫量子控制芯片 Horse Ridge II。Horse Ridge II 建立在第一代 SoC 的能力之上，并產(chǎn)生射頻脈沖來操縱量子比特的狀態(tài)，稱為量子比特驅(qū)動。它引入了兩個額外的控制功能：量子位讀出，一個可以讀取當前量子位狀態(tài)的功能，以及多門脈沖，它可以同時控制多個量子位門。增加在集成電路中運行的可編程微控制器使 Horse Ridge II 能夠在如何執(zhí)行這些控制功能方面提供更高水平的靈活性和復(fù)雜的控制。

借助 Horse Ridge，英特爾希望通過降低量子系統(tǒng)互連的復(fù)雜性來將量子計算機的可擴展性提高到數(shù)千甚至數(shù)百萬個量子比特，這是實現(xiàn)量子實用性和通過量子計算機解決現(xiàn)實世界問題的關(guān)鍵障礙之一。

為量子計算機編程

量子計算機不像經(jīng)典計算機那樣工作：量子計算機不是在二進制算術(shù)上運行，而是操縱量子波函數(shù)的概率幅度，然后對結(jié)果概率分布進行采樣。“對量子計算機進行編程與對經(jīng)典計算機進行編程非常不同，”松浦說?！傲孔颖忍卣娴暮艽嗳?；糾正發(fā)生的量子比特錯誤的能力將非常重要。但是由于今天的量子計算機沒有實現(xiàn)糾錯系統(tǒng)，我們正在開發(fā)抗噪聲量子算法和錯誤緩解技術(shù)，以幫助我們在當今的小型量子比特系統(tǒng)上運行這些算法。

“量子位控制處理器將微碼發(fā)送到控制電子設(shè)備，”她補充說?！安⑶宜鼘⑦\行該量子算法所需的算法中的所有邏輯操作轉(zhuǎn)換為微碼。這告訴控制電子設(shè)備要發(fā)送什么脈沖以及何時將它們發(fā)送到量子比特。在經(jīng)典處理器上運行的運行時軟件加載并執(zhí)行量子程序、您的算法，并將這些量子操作指令序列提供給量子位控制處理器執(zhí)行。程序代碼由經(jīng)典指令和量子指令組成，由量子編譯器生成。編譯器采用算法，對其進行編譯，并根據(jù)量子比特之間的連接性和量子比特的特定屬性，計算出如何映射和調(diào)度你的量子上行量子比特。

程序代碼由經(jīng)典指令和量子指令組成，由量子編譯器生成。考慮到量子位及其屬性之間的連通性，它計算如何在量子位上映射和編程量子操作。量子編譯器具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。他們必須編排一種量子比特舞蹈，在正確的時間將量子比特定位并移動到正確的位置，而在截止日期前工作的算法是量子比特的壽命非常短，通常只有幾分之一秒，并且操作需要重要且經(jīng)常變化的時間尺度。

糾錯是另一個有趣的話題，對于具有數(shù)百萬量子比特的商業(yè)規(guī)模系統(tǒng)，需要大量工作來選擇正確的邏輯量子比特而不會出錯。與此同時，英特爾正在開發(fā)抗噪量子算法和錯誤緩解技術(shù)，以幫助這些算法在當今的所有量子位系統(tǒng)上運行。

校正量子誤差是大多數(shù)量子計算機項目的基礎(chǔ)，因為它有助于保持量子計算所依賴的脆弱量子態(tài)。糾錯所需的操作不僅非常復(fù)雜，而且必須保持量子信息不變。

提高容錯性的一種方法是將部分計算委托給 CPU。而且，實際上，整個堆棧都需要這種經(jīng)典的量子混合方法?！拔覀兿Ｍ覀冇糜谏虡I(yè)全面量子計算系統(tǒng)的許多算法都是由經(jīng)典和量子部分組成的混合體，利用兩種計算模型各自的獨特優(yōu)勢，”松浦說。

量子計算機的驗證

研究和開發(fā)始于對系統(tǒng)即將執(zhí)行的工作負載的深刻理解。工作負載的性質(zhì)指導了完整計算機系統(tǒng)的設(shè)計。

松浦在克拉克演講后的演講強調(diào)了這樣一個事實，即即使有大量的量子比特，如果不構(gòu)建計算堆棧的所有元素，我們也永遠無法實現(xiàn)在量子計算機上運行有用應(yīng)用程序的目標?！霸谖覀冋嬲龘碛幸慌_實用的、商業(yè)規(guī)模的、有用的、有影響力的量子計算機之前，還有很長的路要走，”她說?！叭绻麤]有完整的堆棧、硬件和軟件，我們就不會有量子計算系統(tǒng)。

她補充說：“英特爾推出了有助于在我們工廠的 CMOS 晶圓上快速測試我們的量子比特的設(shè)備?！?“我們用幾個小時而不是幾天來獲取信息；我們本質(zhì)上是在模仿標準晶體管研發(fā)中的信息循環(huán)周期。如果沒有新的低溫探測器，即我們與合作伙伴 Bluefors 和 Afore 開發(fā)的定制設(shè)計設(shè)備，我們可以獲得測試數(shù)據(jù)并以 1，000 倍的速度從我們的研究設(shè)備中學習，從而顯著加速量子比特的開發(fā)。”

克拉克在演講中解釋說：“在英特爾，我們正在使用與我們先進的晶體管技術(shù)相同的技術(shù)制造我們的量子比特。這是在位于俄勒岡州的工廠完成的。我們正在使用 300 毫米晶圓制造這些設(shè)備；我們得到的每一個晶圓，我們都會生產(chǎn)成千上萬的量子設(shè)備來測試這些量子比特。我們使用所謂的稀釋冰箱在非常低的溫度下冷卻我們的量子芯片，以保持量子效應(yīng)。我們正在考慮的溫度比絕對零高幾分之一度。”

由英特爾、Bluefors 和 Afore 構(gòu)建的第一臺低溫晶圓探測器是一種低溫探測器工具，旨在測試和驗證量子計算所需的量子比特。低溫晶圓探測器允許研究人員在 300 毫米晶圓上測試低至幾開爾文溫度的量子比特，使其成為首個用于量子計算的測試工具。

在此過程中，有一些探針可以對這些晶體管進行表征。通過英特爾的低溫探測器，可以掃描 300 毫米晶圓以快速表征量子比特。分析這種情況的一種方法是在量子位附近應(yīng)用小微波脈沖來觀察上態(tài)和下態(tài)變化。

未來的量子計算應(yīng)用已經(jīng)吸引了全世界的想象力，因此，它一直是媒體大肆宣傳的主題。量子計算機有朝一日可能會對運輸和路線物流、設(shè)計新藥物和蛋白質(zhì)折疊等領(lǐng)域產(chǎn)生影響，甚至可能對氣候風險分析和金融期權(quán)的價格進行建模，當然還有最初的應(yīng)用之一引起了對量子計算的興趣：密碼學。但實際上，這些用途取決于量子計算、硬件和軟件方面的發(fā)現(xiàn)，并且需要很多年才能實現(xiàn)。

因為量子計算是一種全新的計算類型，它以完全不同的方式運行程序，所以我們需要專門為量子計算開發(fā)的硬件、軟件和應(yīng)用程序。

“這意味著量子計算需要從控制電子設(shè)備到編譯器再到量子位控制處理器和量子位芯片設(shè)備的計算堆棧的各個級別上的新組件，”松浦說。“英特爾正在開發(fā)完整的量子計算堆棧的所有組件。”

正如 Matsuura 所指出的，讓這些量子組件一起工作是某種量子編排。她補充說，與外部實體的合作可以為該領(lǐng)域的進展提供額外的動力?！拔覀兣c芝加哥大學等多所大學合作。我們最近承諾參與能源部宣布的名為 Q-NEXT 的國家量子信息科學研究中心，英特爾將為研究合作伙伴提供完整的量子堆棧。”

正如 Matsuura 在我們的采訪和英特爾實驗室日活動中指出的那樣，量子計算技術(shù)仍然存在許多挑戰(zhàn)。一是可擴展性。今天的量子計算系統(tǒng)是可擴展的蠻力版本，可以避免擴展至數(shù)百萬量子比特所帶來的問題?！拔覀冋噲D弄清楚如何擴展到大量的量子比特，”她說。