加速量子计算,英特尔推出低温芯片

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前言:

量子计算机有望解决传统计算机无法处理的问题,因为量子位可以同时以多种状态存在,借助这一量子物理学现象,量子位能够同时进行大量计算,从而大大加快了解决复杂问题的速度。

传统计算机VS量子计算机

量子计算机与传统计算机的区别之一在于算力,前者能够解决传统计算机难以处理的大量运算。

例如,面对同样一项庞杂的数据任务,量子计算机能够在短短几分钟内完成,而当今性能最佳的传统计算机也需要花费数千年的时间。

其中的关键则在于量子计算机的内核“量子位”。从量子物理学的角度来说,量子位能够同时以多种状态存在,可进行比传统计算机还要高出数倍的大量运算,大大加快了解决复杂问题的速度。

对大多数量子计算机而言,量子位必须保持在一个接近让原子停止移动的极冷温度下运作。因此,量子位常常被放在一个特制的冰箱中,也被称为“量子冰箱”,而其他设备则放置在量子冰箱外围。

但是,控制量子处理器需要数百根连接线进出冰箱,这一线路设计将极大地束缚量子系统的能力,使系统无法扩展到证明量子实用性所需的成百上千个量子位,同时也让量子位发送和接收信息变得非常困难。这也成为了科学家们在推进量子计算发展过程中必须要解决的问题。

然而,随着公司设法增加芯片中的量子比特数量,从而提高芯片的计算能力,他们开始遇到一个问题。

最终的目标是最大限度地减少进入制冷机的导线数量。英特尔认识到,量子控制是其开发大规模商用量子系统所需解决的难题中不可或缺的一部分。

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英特尔推出低温芯片

近日在旧金山召开的IEEE国际电子设备会议上,英特尔公司推出一款低温芯片,旨在加速他们与德尔夫特大学QuTech研究小组合作开发的量子计算机。

该芯片名为Horse Ridge,是俄勒冈州最冷的地区之一,它使用了特殊设计的晶体管,从而为英特尔的量子计算芯片提供微波控制信号。

该芯片的设计工作温度为4开尔文,略高于量子位芯片本身的温度。该公司利用其22纳米FinFET工艺制造了该芯片,尽管构成控制电路的晶体管需要大量的重新设计。

该芯片可以在量子计算机中控制多个量子位,英特尔认为该芯片的开发是迈向真正可行的量子计算机道路上的一个重要里程碑。

英特尔声称,Horse Ridge为未来的控制器奠定了基础,未来的控制器将能够控制数千甚至数百万个量子比特,使量子计算机的实现成为可能。他们声称,微型化是关键,值得注意的是,微型化是英特尔的强项之一。

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应对量子计算机的难点

虽然大多数量子芯片和计算机需要放置在绝对零位才能正常运行,但Horse Ridge芯片的工作温度大约为4开氏度,这比绝对零度略高。

由于这些粒子中的每一个都是单独控制的,因此布线将量子计算系统的规模扩展到数百或数千个量子比特的能力达到了显着的性能水平。

Horse Ridge SoC使用复杂的信号处理技术将指令转换为可操纵量子位状态的微波脉冲。

解决方案是将尽可能多的控制和读出电子设备放入制冷机,甚至可能将它们集成到量子位芯片上。

Horse Ridge将控制电子设备集成到一个芯片上,该芯片用于在制冷机内使用qubit芯片进行操作。它使用与基本量子位操作相对应的指令进行编程,将这些指令转换成微波脉冲,可以控制量子比特的状态。

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Horse Ridge的里程碑意义

一直以来,在实现量子计算机功能、激发其潜力的竞赛中,研究人员更关注量子比特的制造,构建了测试芯片,以证明少数以叠加态量子比特强大的能力。

但是,在英特尔早期的量子硬件开发中,包括对硅自旋量子比特和超导量子比特系统的设计、测试和表征,认定了阻止量子计算商业规模化的主要瓶颈:互连和控制。

英特尔认为Horse Ridge开启了一种“优雅的解决方案”,允许控制多个量子比特,并为将未来构建能控制更多量子比特的系统设定了明确的路径,是实现量子实用性的重要里程碑。

通过 Horse Ridge,英特尔能够使量子系统扩展到证明量子实用性所需要的成百上千个量子位,从而实现商业可行的量子解决方案所需的数百万个量子位。

控制芯片的制造在英特尔内部完成,将极大地提高了公司在设计、测试和优化商业上可行的量子计算机的能力。

这些设备通常是定制设计的,以控制单个量子位,需要数百根连接线进出冰箱。但是,每个量子位的这种广泛的控制电缆阻碍了将量子系统缩放到证明量子实用性所需的数百或数千个量子位的能力,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。

有了Horse Ridge,英特尔可以从根本上简化操作量子系统所需的控制电子设备。用高度集成的系统芯片取代这些庞大的仪器,将简化系统设计,并允许使用复杂的信号处理技术来加速设置时间、提高量子位性能,并使系统能够有效地扩展到更大的量子位计数。

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微软与亚马逊加入战场

量子计算是一个热门的研究领域,虽然还未见到量子计算机为何物,IBM、谷歌、亚马逊已经在抢夺量子市场了。

量子计算将使大多数消费将通过云来实现,如果能够成功,量子计算机将会有一个非常惊人的算力提升,从各家透露出的原型图来看,无不是块头巨大、上百根控制线密布的庞然大物。

当然,其他拥有大规模量子比特数量的量子计算公司也在研究同样的问题。 今年早些时候,谷歌就曾描述了其机器的低温控制电路的一些思路。简而言之,因特尔的突破,非常有助于他们推出更高集成度的量子芯片。

·微软在 11 月的 Ignite 大会上宣布了一项名叫 Azure Quantum 的云计算服务;它将微软先前发布的量子编程工具与云服务集成,使编码人员可以在模拟量子硬件或真实的量子计算机上运行量子代码。

·亚马逊在 12 月的 AWS re:Invent 上推出了 Amazon Braket 的预览版;它还表示, “AWS 量子计算中心”的创建工作正在进行中,这是一个位于加州理工学院附近的物理实验室,将汇集世界领先的量子计算研究人员和工程师,以加速量子计算硬件和软件的开发。

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量子计算目前面临诸多挑战,其中一个是超导量子比特仅在接近绝对零度的温度下才能真正工作。

谷歌和 IBM 在研发量子计算时都需要一套体积庞大的控制和冷却系统,一些管子的尺寸比人还粗,还需要数百根电线连接到外部微波发射器上。

尽管人们非常重视量子比特本身,但同时控制多个量子比特的能力一直是业界挑战。英特尔意识到,量子控制是我们开发大规模商用量子计算系统亟需解决的难题之一。这就是为什么我们要投资量子误差校正和控制。

作为英特尔的竞争对手,谷歌和 IBM 主要专注于超导量子比特的研究,由此驱动的量子计算系统需要在毫开尔文区间内运行,仅比绝对零度高一点点。

但英特尔认为,硅自旋量子比特具备在更高温度下工作的潜力,约 1 开尔文,希望能借此实现差异化竞争。

结尾:

鉴于英特尔曾经试图在移动芯片领域复刻计算机芯片的领导地位,倾注数年心血和巨额资金,但依然以失败告终,现在就称 Horse Ridge 是颠覆性成果、是超越谷歌和 IBM 的 “杀手锏” 仍然为时尚早。

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