量子计算的下一步是什么？

著名科幻作家威廉·吉布森曾说过：“未来已来；只是分布不是很均匀。” 这是英特尔高级研究员、副总裁兼英特尔实验室主任 Rich Uhlig 在最近的英特尔实验室日上的开场词。在活动期间，英特尔重点介绍了跨多个领域的研究计划。其中一个特别是量子计算，其中引入了第二代马岭低温量子控制芯片。

谈到技术的潜在利益分布不均，Rich Uhlig 强调了基因分型技术和家庭 DNA 测试在今天是可用的，但它们并不能大规模地提供给世界人口，这证明未来并不是“分布均匀的”。同时，从 IT 的角度来看，必须大规模移动、存储、分析、保护和计算大量数据。地球上越来越多地被传感器覆盖，每天都在产生大量新数据。新的挑战即将到来。

我们需要跨越计算和内存互连的不同技术领域进行巨大改进。英特尔认为，这些收益需要一种新的思维方式，当专家可以通过交叉多学科知识、科学和技术领域进行协作时，它们就会出现。英特尔在此次活动中强调了其中一个领域：量子计算。

近年来，量子计算一直是一个非常活跃的研究领域，许多不同的公司都在研究它。量子计算机有一些独特的特性，使它们非常强大。

在接受 EE Times 采访时，英特尔实验室量子应用和架构总监 Anne Matsuura 博士与英特尔量子硬件总监 James Clarke 博士在活动中就该主题发表了演讲，重点介绍了颠覆性技术的应用并更深入地了解英特尔的量子努力。

新材料的发现和设计是使用量子技术可能产生有意义影响的早期应用之一。“我们相信，商业规模的量子计算机将允许模拟这些材料，以便在未来，我们还可以设计具有所需特性的材料和化学品，”松浦说。“今天的 100 个量子位甚至数千个量子位不会导致我们得到这个结果。我们将需要一个具有数百万量子比特的商业规模的量子计算机系统，以实现这种雄心勃勃的问题解决的量子实用性。”

什么是量子比特？量子与经典计算

量子比特是量子系统和量子力学某些元素的信息“比特”。但是量子比特是如何物理创建的呢？电子设备如何有效控制量子系统中的量子比特？

与传统位不同，量子位不是以零或一状态存在，而是同时以两种状态的“叠加”存在。此外，在量子处理器中，可以有更多处于叠加状态的量子比特相互连接，以至于它们表达了一种称为纠缠的群体行为。这种纠缠状态是量子计算机令人难以置信的计算能力的基础，也是它们解决传统超级计算机能力之外的复杂任务的潜力的来源。

作为 Rich Uhlig 实验室日主题演讲的一部分，Matsuura 为量子部分做了介绍性演讲，介绍了英特尔在做什么以及最新的市场发展。

“获得关于量子计算的直觉的一个简单方法是将计算机比特视为一枚硬币，”她说。“它可以处于正面状态或反面状态——它要么处于一种状态，要么处于另一种状态。现在想象硬币在旋转。它在旋转时，从某种意义上说，它同时处于正面状态和反面状态；它是两种状态的叠加。”

这类似于量子位或量子位。Matsuura 补充说：“现在想象一下，我们将两个量子比特放在一起并将它们纠缠在一起。现在我们同时有四个状态。所以两个纠缠的量子比特同时代表四种状态的混合。更一般地说，n 个量子比特代表2n个状态。”

量子计算机的计算能力随着量子比特的数量呈指数增长。理论上，如果我们有 50 个这样的纠缠量子比特，我们可以访问比任何可能的超级计算机更多的状态。如果我们有 300 个纠缠的量子比特，我们可以同时表示比宇宙中的原子更多的状态。

与经典计算机一样，量子计算机由由基本量子逻辑门组成的量子电路组成。量子计算机有可能解决传统计算解决方案无法解决的问题。底层技术是量子物理学；因为一个量子比特（或量子比特）可以同时存在于多个状态，它可以用来同时计算所有可能的状态，显着加快了复杂问题的解决速度。

“量子比特没有很长的寿命，噪音或观察会导致信息丢失，”松浦说。“因此，在现实中，我们需要数十万甚至更可能是数百万的高质量量子比特来用于商业规模的量子计算机。换句话说，我们需要对量子进行扩展才能对实际应用有用。英特尔的量子研究计划专注于几个关键领域：自旋量子比特技术、低温控制技术和全栈创新。这些领域中的每一个都解决了与扩展量子相关的关键挑战，英特尔正在系统地解决每一个问题以实现扩展。”

量子位技术

量子位在我们今天看到的小型量子计算系统中可用。它们的质量和数量根本不足以让它们进入商业规模的系统。我们将需要有许多稳定或抗噪声的量子位以及量子位之间的高效连接，以扩展到具有数百万个能够运行量子算法的商业规模的量子计算机。在松浦的演讲之后，詹姆斯克拉克发表了有趣的演讲。

克拉克指出，英特尔有兴趣打造拥有数百万个量子比特的量子计算机。“我们正在使用与晶体管相同的技术来构建我们的量子比特芯片。我们正在使用 CMOS 控制电子设备控制我们的量子比特，这些电子设备是用我们的晶体管技术制造的。”

短期应用将在化学、材料、生物学和医学领域。从长远来看，正在寻求优化算法、密码学和机器学习等应用。

克拉克指出，有很多方法可以为量子计算机制造量子比特。第一个是捕获离子，您可以在其中使用激光研究金属离子的激发态。这些激发态可以代表零和一个量子位。这项技术实际上与 2012 年获得诺贝尔物理学奖的原子钟非常相似。

第二种技术是超导量子比特技术，其中超导金属的小环用于基本上创建一个人造原子，其状态代表零和系统之一。

第三种技术是硅量子点或自旋量子比特，它本质上控制电子的自旋，而自旋代表量子比特的零和一态。“我们认为这对英特尔来说是一项非常有趣的技术，”克拉克说。

与晶体管的类比使我们能够解释这项最新技术。晶体管本质上是一个开关。当您施加电压或电位时，就会有电流流过设备。

“晶体管是地球上最无所不在的人造物体，”克拉克说。“在英特尔，我们相信我们每年出货 800 万亿个晶体管；这是一个不可思议的数字。事实是，地球上的每一个人每天每一分钟都有几个晶体管。有人预测，到本世纪中期，地球上的晶体管数量将超过人类细胞的数量。晶体管无处不在。”

不是让许多电子的电流流过器件，而是捕获单个电子。在该设备中，创建了单个电子晶体管。通过将许多这样的单个晶体管组合在一起，我们可以创建一个电子网络。通过控制各个晶体管之间的电位，我们实际上可以控制两个相邻电子之间的相互作用。

单个电子晶体管在磁场中的参与将导致该单个电子具有两种用于量子比特的能量状态。“有两种状态，我们基本上是在控制一个电子，”克拉克说。“我们创建旋转量子比特的方式与我们创建晶体管的方式相同。有两种状态，我们本质上是在控制一个电子。我们制造自旋量子比特的方式与制造晶体管的方式相同。我们当前的技术基于 fin-FET 几何结构；我们正在以基于鳍的相同方式制造我们的量子比特结构。”

在这一点上，改进量子位技术涉及解决与晶体管相同的挑战，即尺寸可变性、栅极氧化物缺陷和电压可变性。在此过程中，快速表征量子位非常重要。

量子位控制

量子计算的挑战之一是量子位控制。正如松浦指出的那样，这些量子信息非常脆弱。

今天的量子比特由许多电子机架控制，这些电子机架具有连接到量子比特的复杂接线，这些电子机架位于低温冰箱中，以保护脆弱的量子比特免受商业规模量子计算的热噪声和电噪声的影响。“这是英特尔正在利用具有可扩展互连的低温量子位控制芯片技术解决的一个领域，”Matsuura 说。

制造更多的量子比特会导致产生数百万条线路，这使得硬件过于复杂。英特尔为提高布线效率而采取的一种方法是使用基于 CMOS 技术的技术使控制非常接近量子芯片。从长远来看，它将允许使用更少的电线和更优雅的互连系统。该技术是英特尔的 Horse Ridge，采用英特尔的 22FFL CMOS 工艺生产。其功能已在 4 开尔文得到验证。

在英特尔实验室活动期间，该公司推出了其第二代低温量子控制芯片 Horse Ridge II。Horse Ridge II 建立在第一代 SoC 的能力之上，并产生射频脉冲来操纵量子比特的状态，称为量子比特驱动。它引入了两个额外的控制功能：量子位读出，一个可以读取当前量子位状态的功能，以及多门脉冲，它可以同时控制多个量子位门。增加在集成电路中运行的可编程微控制器使 Horse Ridge II 能够在如何执行这些控制功能方面提供更高水平的灵活性和复杂的控制。

借助 Horse Ridge，英特尔希望通过降低量子系统互连的复杂性来将量子计算机的可扩展性提高到数千甚至数百万个量子比特，这是实现量子实用性和通过量子计算机解决现实世界问题的关键障碍之一。

为量子计算机编程

量子计算机不像经典计算机那样工作：量子计算机不是在二进制算术上运行，而是操纵量子波函数的概率幅度，然后对结果概率分布进行采样。“对量子计算机进行编程与对经典计算机进行编程非常不同，”松浦说。“量子比特真的很脆弱；纠正发生的量子比特错误的能力将非常重要。但是由于今天的量子计算机没有实现纠错系统，我们正在开发抗噪声量子算法和错误缓解技术，以帮助我们在当今的小型量子比特系统上运行这些算法。

“量子位控制处理器将微码发送到控制电子设备，”她补充说。“并且它将运行该量子算法所需的算法中的所有逻辑操作转换为微码。这告诉控制电子设备要发送什么脉冲以及何时将它们发送到量子比特。在经典处理器上运行的运行时软件加载并执行量子程序、您的算法，并将这些量子操作指令序列提供给量子位控制处理器执行。程序代码由经典指令和量子指令组成，由量子编译器生成。编译器采用算法，对其进行编译，并根据量子比特之间的连接性和量子比特的特定属性，计算出如何映射和调度你的量子上行量子比特。

程序代码由经典指令和量子指令组成，由量子编译器生成。考虑到量子位及其属性之间的连通性，它计算如何在量子位上映射和编程量子操作。量子编译器具有挑战性的任务。他们必须编排一种量子比特舞蹈，在正确的时间将量子比特定位并移动到正确的位置，而在截止日期前工作的算法是量子比特的寿命非常短，通常只有几分之一秒，并且操作需要重要且经常变化的时间尺度。

纠错是另一个有趣的话题，对于具有数百万量子比特的商业规模系统，需要大量工作来选择正确的逻辑量子比特而不会出错。与此同时，英特尔正在开发抗噪量子算法和错误缓解技术，以帮助这些算法在当今的所有量子位系统上运行。

校正量子误差是大多数量子计算机项目的基础，因为它有助于保持量子计算所依赖的脆弱量子态。纠错所需的操作不仅非常复杂，而且必须保持量子信息不变。

提高容错性的一种方法是将部分计算委托给 CPU。而且，实际上，整个堆栈都需要这种经典的量子混合方法。“我们希望我们用于商业全面量子计算系统的许多算法都是由经典和量子部分组成的混合体，利用两种计算模型各自的独特优势，”松浦说。

量子计算机的验证

研究和开发始于对系统即将执行的工作负载的深刻理解。工作负载的性质指导了完整计算机系统的设计。

松浦在克拉克演讲后的演讲强调了这样一个事实，即即使有大量的量子比特，如果不构建计算堆栈的所有元素，我们也永远无法实现在量子计算机上运行有用应用程序的目标。“在我们真正拥有一台实用的、商业规模的、有用的、有影响力的量子计算机之前，还有很长的路要走，”她说。“如果没有完整的堆栈、硬件和软件，我们就不会有量子计算系统。

她补充说：“英特尔推出了有助于在我们工厂的 CMOS 晶圆上快速测试我们的量子比特的设备。” “我们用几个小时而不是几天来获取信息；我们本质上是在模仿标准晶体管研发中的信息循环周期。如果没有新的低温探测器，即我们与合作伙伴 Bluefors 和 Afore 开发的定制设计设备，我们可以获得测试数据并以 1，000 倍的速度从我们的研究设备中学习，从而显着加速量子比特的开发。”

克拉克在演讲中解释说：“在英特尔，我们正在使用与我们先进的晶体管技术相同的技术制造我们的量子比特。这是在位于俄勒冈州的工厂完成的。我们正在使用 300 毫米晶圆制造这些设备；我们得到的每一个晶圆，我们都会生产成千上万的量子设备来测试这些量子比特。我们使用所谓的稀释冰箱在非常低的温度下冷却我们的量子芯片，以保持量子效应。我们正在考虑的温度比绝对零高几分之一度。”

由英特尔、Bluefors 和 Afore 构建的第一台低温晶圆探测器是一种低温探测器工具，旨在测试和验证量子计算所需的量子比特。低温晶圆探测器允许研究人员在 300 毫米晶圆上测试低至几开尔文温度的量子比特，使其成为首个用于量子计算的测试工具。

在此过程中，有一些探针可以对这些晶体管进行表征。通过英特尔的低温探测器，可以扫描 300 毫米晶圆以快速表征量子比特。分析这种情况的一种方法是在量子位附近应用小微波脉冲来观察上态和下态变化。

未来的量子计算应用已经吸引了全世界的想象力，因此，它一直是媒体大肆宣传的主题。量子计算机有朝一日可能会对运输和路线物流、设计新药物和蛋白质折叠等领域产生影响，甚至可能对气候风险分析和金融期权的价格进行建模，当然还有最初的应用之一引起了对量子计算的兴趣：密码学。但实际上，这些用途取决于量子计算、硬件和软件方面的发现，并且需要很多年才能实现。

因为量子计算是一种全新的计算类型，它以完全不同的方式运行程序，所以我们需要专门为量子计算开发的硬件、软件和应用程序。

“这意味着量子计算需要从控制电子设备到编译器再到量子位控制处理器和量子位芯片设备的计算堆栈的各个级别上的新组件，”松浦说。“英特尔正在开发完整的量子计算堆栈的所有组件。”

正如 Matsuura 所指出的，让这些量子组件一起工作是某种量子编排。她补充说，与外部实体的合作可以为该领域的进展提供额外的动力。“我们与芝加哥大学等多所大学合作。我们最近承诺参与能源部宣布的名为 Q-NEXT 的国家量子信息科学研究中心，英特尔将为研究合作伙伴提供完整的量子堆栈。”

正如 Matsuura 在我们的采访和英特尔实验室日活动中指出的那样，量子计算技术仍然存在许多挑战。一是可扩展性。今天的量子计算系统是可扩展的蛮力版本，可以避免扩展至数百万量子比特所带来的问题。“我们正试图弄清楚如何扩展到大量的量子比特，”她说。

审核编辑：彭静