关于Intel的量子计算计划的分析和介绍

随着量子计算领域的不断发展，Intel、Google、IBM、D-Wave等都在力争成为开启通用量子计算机商业化的第一人，其中尤以Intel为代表。虽然D-Wave宣称已经做到了这一点，但业界对此还存在较大争议。量子计算的发展前进道路还很漫长，需要艰辛的努力。

本周，Intel展示了其工程师和合作伙伴QuTech的技术，该公司属于一家应用科学研究公司，是Technical University of Delft （TU Delft）和Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek（TNO）的量子计算分支，目前正在与Intel合作开展量子计算技术。

TNO成立于1988年，年预算为5亿欧元，负责进行各种初步研究。荷兰已经成为量子计算技术的温床，除此之外，美国和日本政府也希望通过这种方式保持这种合伙关系，TNO于2015年底与Intel合作，Intel投资5000万美元用于TU Delft和TNO之间的QuTech合作伙伴关系，而Intel主攻量子计算程序。

通过这种合作伙伴关系，Intel正在将其在材料科学，半导体制造，互连和数字系统方面的专业技术用于开发两种类型的量子位或量子比特，这是量子计算机中处理的基本要素。 QuTech的合作伙伴关系涉及超导量子位的制造，与此同时Intel还在开发另一种称为自旋量子点的技术，利用更传统的半导体技术来创建量子晶体管，这是一种非常新颖、并行的计算方式。

本周的重磅消息是，Intel已经能够采用其工程师与QuTech工作人员一起创建的量子位设计，并将其在一个封装上扩展到17个量子位。

Intel量子硬件总监Jim Clarke在TheNext Platform上指出，一年前，在其初始设备上只有几个量子位，两年前，一个也没有。所以这是一个非常令人振奋的路线图。Google正在测试一个20个量子位芯片，希望在年底之前有一个运行在49个量子位芯片。Google还拥有D-Wave的量子退火系统，它们的量子位数量有所增加 ，目前有1000个，不久将达到2000个。但是根据Intel目前的数据显示，这还并不足以使量子计算商业化。Intel的目标是创建一个通用的计算机基础架构，并扩展其在世界数据中心的制造和部署。

2017年4月在俄勒冈州希尔斯伯勒的IntelD1D / D1X工厂生产的量子芯片的生产和洁净室设施。

Clarke表示，Intel正在努力建立一个通用的通用量子计算机，而不是一个量子退火机。Intel与其他研究团队的区别之一就是Intel专注于多个量子位类型。

第一个是超导量子位，与Google，IBM以及名为Rigetti Computing正在开发的启动机构类似。同时，Intel也在研究硅芯中的旋转量子位，与我们的晶体管技术非常相似，在接下来的几个月内会有相关报道。这些旋转量子位建立在在普通芯片制造领域的专业知识的基础上，真正让Intel有别与其他人的是，Intel在非常低的温度下使用先进的封装，以提高量子位的性能，并着眼于可扩展性。

正如人们对标准数字处理器的晶体管或核的数量感到痴迷，人们对量子芯片上的量子位数量变得有些痴迷，Intel实验室新兴技术研究总监Jim Held表示，“”大家的注意力有点放错了。对于那些看生活系统的人来说，这是完全正确的。Intel专注于使系统设计正确，然后将其放大到所有向量上，以构建一个非常强大的量子计算机。

人们关注量子位的数量，但这仅仅是其中的一部分。作为工程师，我们正在不断接近这点，一切都不同于普通电子计算机。它不仅仅是器件，它会控制电子以及用微波脉冲操纵量子位，并用非常敏感的直流仪器进行测量，从某些角度上来讲，它更像是模拟计算机。它的数字电子设备就能进行错误校正。因为量子器件非常脆弱，并且容易出现错误，我们的纠错的程度，直接决定了它们的计算能力。

为了在这些量子位的阵列中获得潜在的并行性，我们将研发一种新型的编译器，它的程序编写的算法将与传统数字编程完全不同。虽然在各个学术界都有研究，作为一个工程团队，我们必须把它们整体作为一台电脑。

此外，经验告诉我们，我们希望在任何时候了解我们在一个层面上的选择对于其余的计算机来说意味着什么。我们知道的是，如果你有一个充满这些量子位的盘，你没有一个量子计算机，并且一些最大的扩展问题在堆栈的其余部分。仅仅只关注数量或数量的一致性时间真的使得不利于我们的研发。

这类似于没有足够的带宽或低延迟的大规模并行机器，可以有效地跨核心，套接字或节点进行通话并共享工作。您可以按需要填充尽可能多的内核，但是作业不会更快。

因此，Intel正在将研究重点放在互连上，这些互连将在一个设备上和多个设备之间链接量子位。”

Jim Held进一步指出，“互连是量子计算最核心的事情之一，从一开始，我们并没有把重点放在一个近期的里程碑上，而是从互连的角度来看，从设计和控制的角度来讲，要提供一个大型的通用量子计算机。”

Clarke表示，商用量子芯片上的片上互连跟常规数字芯片类似，只是用超导材料取代了铜线。

Intel在俄勒冈工厂制造而在亚利桑那州的封装厂中封装在超导量子位芯片的应用中是一种看似有点荒唐的行为。

量子计算提出了一些物理挑战，超导量子位的问题尤其棘手。需要保证量子状态在比特级别能够同时处理多个并行状态，同时需要保证模拟器件在极冷的环境中跟外界的控制电子设备仍有良好的接触。

Clarke说：“我们将这些芯片放在比外太空还冷得多的环境下（20毫开尔文）。首先，根据热膨胀系数保证在芯片在这个温度下不会分崩离析。然后需要考虑封装收益以及单独的量子位收益，而后我们考虑如何在更好的扩展性的情况下连线。这些都是质量要求很高的无线电或微波芯片，必须确保芯片在封装后，在低温下仍能保持这种质量。我们能够从封装上得到很多性能和收益上的提升。”

在这种芯片上，Intel用类似于家用路由器背面端口的标准同轴端口盖住了芯片的一侧。每个量子位都有两个或以上同轴电缆端口控制以及监控其状态。

Held说：“出于商业化的考虑，我们对缩放比例的问题上更加感兴趣。这必须谨慎小心，以免陷入僵局。这种量子芯片不像Omni-Path那么复杂，并不能很好的缩放。我们感兴趣的是用减少大量互连线的数量来得到提升。

上百万量子位转化为数百万同轴电缆明显不太实际，即使只有数百量子位也一样。我们采用的一种方法是将控制量子计算机的电子器件移至非常冷的环境中，并不是毫开尔文的量级，而是4开尔文的液氢之中。我们在QuTech的合作伙伴是cryo-CMOS领域的专家，这意味着能够让芯片在4开尔文的范围正常工作。通过将控制电路从量子计算机外部机架移至制冷单位中，可以有效减少到量子位的连线长度。”

关于量子位，叠加允许一个量子位能够表示两种不同的状态，量子纠缠（被爱因斯坦称之为“远距离幽灵行动”）允许状态随量子位数量提升而线性增加。严格来说，n个量子位对应2n个状态。互连线并不是用来保持量子位的量子态，而是监控并保持量子态，更重要的是进行纠错。量子位非常稳固，不能被动摇，移动或失去量子态。两年前Google在德国举办的国际超级计算大会上指出，量子计算机最终可能成为传统并行超级计算机的加速器，用于对量子位进行纠错与监视，Intel也这样认为。

超导量子位的挑战可能是Intel寻求旋转量子位和更普遍的半导体工艺来创建状态更容易保持的量子计算机芯片的原因之一。另一方面，Intel也是半导体制造行业的专家。所以，我们认为QuTech在创建一个测试台系统和可移植软件栈，这种特殊的超导方式是具有投资价值的。 Held和Clarke都认为，通用量子计算机需要大概八到十年的时间才能实现商业化和运营。

Held说：“这是研究，所以我们会基于我们的想法去解决一些问题。当量子计算机能够解决一些有趣而小的问题的时候，这将成为一座里程碑，然后发展为超级计算机以及云服务的有效加速器。

量子计算机并不是独立的计算机，因为它连很多传统计算机做得很好的事情都不能做。虽然理论上任何量子计算机能做数字计算机所有的事情，但是它们做得并不好。我们现在遇到的问题预计需要花八到十年的时间才能解决。这些全是工程问题，物理学家在实验室里已经找到了可行的解决方案并能够很好的拓展。”

Clarke补充指出，量子计算机的封装方面还面临很多物理问题。下一个目标是建立一个健全的工艺控制这可能需要八至十年的时间。

Intel已经处于领先地位，但目前我们才刚刚迈出第一步，如果想要实现量子计算机商业化，甚至更普遍的应用还需要很长的时间。Intel正试图建立一个小的量子计算系统，它将向我们介绍量子计算栈的各个方面。同时，Intel正在硬件层面和架构控制层面设计可扩展性系统，以获得更多的量子位。目前该领域还面临很多问题，看来我们可能需要一台量子计算机才能弄清我们何时能够获得量子计算机了。