Intel研究院宣布推出代號為“Horse Ridge”的首款低溫控制芯片，實(shí)現(xiàn)了對多個(gè)量子位的控制，可加快全棧量子計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)步伐，堪稱量子實(shí)用性道路上的一個(gè)重要里程碑。

Horse Ridge 由 Intel 和 QuTech(QuTech 為 荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)院與 荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)立的量子研究中心)共同打造;采用的是Intel 22 納米 FinFET 技術(shù)。

作為首款低溫控制芯片，Horse Ridge 能夠在大約 4 開爾文的低溫下工作。直觀上來說，4 開爾文僅比絕對零度高一點(diǎn)點(diǎn)其溫度之低，幾乎讓原子停止運(yùn)動。但Horse Ridge能夠工作，這一成果令人激動，因?yàn)楣枳孕孔游挥型诼愿哂诋?dāng)前量子系統(tǒng)所需的溫度下工作。有趣的是，這款芯片的代號 Horse Ridge，正是美國俄勒岡州最冷的一個(gè)地區(qū)。如今，量子計(jì)算機(jī)在毫開爾文溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，只比絕對零度高幾分之一度。但是硅自旋量子位的特性使其能夠在1開爾文或更高溫度下工作，這將極大地減少冷卻量子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。

Horse Ridge是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算實(shí)用性的重要里程碑

拋開 Horse Ridge 在低溫方面的優(yōu)勢，Intel 還在聲明中將其稱之為“實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算實(shí)用性的重要里程碑”，這是因?yàn)?Horse Ridge 可以幫助人們更快地從量子理論過渡在量子實(shí)用性。

就目前的情況而言，研究人員大多都致力于構(gòu)建小規(guī)模的量子系統(tǒng)，以證明量子設(shè)備的潛力。他們依靠現(xiàn)有的電子工具和高性能計(jì)算機(jī)架級儀器，將量子系統(tǒng)與傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備相連，但如果要控制量子處理器，則需要數(shù)百根連接線。然而，這樣廣泛的控制布線將會束縛量子系統(tǒng)的能力。

但 Horse Ridge 的出現(xiàn)讓上述問題有了解決方案，通過Horse Ridge，英特爾從根本上簡化了運(yùn)行量子系統(tǒng)所需的控制電子設(shè)備。通過用高度集成的系統(tǒng)芯片(SoC)來代替這些龐大的儀器，將簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并允許使用復(fù)雜的信號處理技術(shù)來加快設(shè)置時(shí)間、改善量子位性能，并使系統(tǒng)能夠高效擴(kuò)展到更多的量子位。Horse Ridge是高度集成的混合信號系統(tǒng)芯片，將量子位控制引入量子冰箱中，以盡可能靠近量子位本身。Horse Ridge有效地降低了量子控制工程的復(fù)雜性，從進(jìn)出冰箱的數(shù)百根電纜簡化到在量子設(shè)備附近運(yùn)行的單個(gè)一體化套件。也就是說，通過 Horse Ridge，Intel 能夠使量子系統(tǒng)擴(kuò)展到證明量子實(shí)用性所需要的成百上千個(gè)量子位，從而實(shí)現(xiàn)商業(yè)可行的量子解決方案所需的數(shù)百萬個(gè)量子位。

Horse Ridge被設(shè)計(jì)成一個(gè)射頻(RF)處理器，用來控制在冰箱里運(yùn)行的量子位，其編程指令與基本量子位的操作相對應(yīng)，這些指令將被轉(zhuǎn)換成可操縱量子位狀態(tài)的電磁微波脈沖。Intel 還表示，控制芯片的制造在 Intel 內(nèi)部完成，將極大地提高了公司在設(shè)計(jì)、測試和優(yōu)化商業(yè)上可行的量子計(jì)算機(jī)的能力。

量子計(jì)算是新型計(jì)算模式

所謂的量子計(jì)算，是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。量子計(jì)算機(jī)有望解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法處理的問題，因?yàn)榱孔游豢梢酝瑫r(shí)以多種狀態(tài)存在。借助這一量子物理學(xué)現(xiàn)象，量子位能夠同時(shí)進(jìn)行大量計(jì)算，從而大大加快了解決復(fù)雜問題的速度。如果說展示量子實(shí)用性是一場馬拉松，那么量子研究領(lǐng)域才剛剛跑完一英里。量子研究領(lǐng)域應(yīng)以量子實(shí)用性為基準(zhǔn)，確定一個(gè)量子系統(tǒng)是否能夠提供顛覆性的性能，從而解決現(xiàn)實(shí)世界的問題。英特爾在量子計(jì)算上的投資涵蓋了整個(gè)硬件和軟件堆棧，旨在開發(fā)一個(gè)實(shí)用、商業(yè)上可行的量子系統(tǒng)，并使其投入商用。

早在2017年，就有消息報(bào)道稱英特爾在量子計(jì)應(yīng)用上邁出了一大步，開發(fā)出了一種新型超導(dǎo)芯片，并把它交給了荷蘭合作伙伴QuTech測試。這也讓人們意識到，量子計(jì)算或?qū)⑹窍乱粋€(gè)重大技術(shù)變革;在2018年CES大會上，英特爾再次公布了一款49 qubit量子芯片，CEO Brian Krznich稱其為量子計(jì)算領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，同時(shí)也代表著“量子優(yōu)勢”的下一步方向。

科技巨頭積極布局量子計(jì)算

近年來，科技巨頭紛紛投入對量子計(jì)算的研發(fā)中，熱度持續(xù)高漲。比如人們熟知的谷歌、IBM、微軟等科技公司，都開始積極研究這項(xiàng)技術(shù)。在今年5月，微軟聯(lián)手Alphabet合作推出量子計(jì)算編程課，囊括量子計(jì)算理論、微軟的量子計(jì)算編程語言Q#以及如何為從簡單到復(fù)雜的情景編寫程序。

同年11月，IBM也宣布了自己的量子計(jì)算進(jìn)展，一是首款上線的IBM Q系統(tǒng)將配備20量子比特處理器，同時(shí)在超導(dǎo)量子比特設(shè)計(jì)、連接性和應(yīng)用開發(fā)包方面都將有所改善。二是成功構(gòu)建并測量了具有類似性能指標(biāo)的50量子比特原型處理器。這款新的處理器擴(kuò)展了20量子比特架構(gòu)，將會在下一代IBM Q系統(tǒng)中使用。

谷歌的量子計(jì)算進(jìn)展或許最為超前。在近日谷歌還成功演示了利用實(shí)驗(yàn)性量子計(jì)算機(jī)，在大約200秒內(nèi)完成傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)一萬年才能完成的計(jì)算量，引發(fā)人們熱議。

量子計(jì)算的出現(xiàn)或許能讓計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大幅度提升，它是屬于未來的先進(jìn)技術(shù)。但是要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算還要面對不少問題，如何長時(shí)間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時(shí)又能夠在這個(gè)時(shí)間段之內(nèi)做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作，要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)依然有很長的路要走。

結(jié)尾：

總的來說，量子計(jì)算將改變計(jì)算方式，這是毋庸置疑且意義深遠(yuǎn)的。但目前，量子計(jì)算仍然是一個(gè)非常年輕的領(lǐng)域，還存在很大的科技突破空間，它要從實(shí)驗(yàn)室走到商業(yè)市場，也并不是一件容易的事情。