Intel宣布利用硅打造全新量子计算机｜大事儿

　　 世界最大芯片制造商Intel宣布全新量子计算机制造方案！

　　

　　 无论问题再复杂，最好的解决方案也可能一直都在你的身边―― 芯片巨头Intel打算向世人证明这一点。 在这场与IBM、微软和Google等竞争对手关于量子计算机研发的较量中，Intel打算另辟蹊径，利用自己的长项 硅晶体管 来杀出一条血路。

　　 Intel在俄勒冈州波特兰的研发中心和荷兰代尔夫特理工大学QuTech量子研究所，去年签订了一份金额达到5千万美元的研究合同。近日，Intel量子研究团队宣布， 他们开发出了将 量子计算机需要的超纯硅附着在传统微电子工业标准晶圆上的技术 。

　　

　　 Intel和QuTech相关项目负责人参观实验室

　　 超纯硅 + 标准晶圆 = 量子计算？

　　 目前， 用超导电路制造量子比特 是各方采用的主流方法，除Intel之外，尚未有其他工业界和学术界团队提出基于硅制造量子比特的量子计算机方案。

　　 人类目前用超导电路制造的量子计算机，最多只包含几个量子比特， 而一台量子计算机需要几千个甚至几百万个的量子比特才有真正的应用意义。

　　 Intel量子计算硬件研发团队负责人吉姆·克拉克（Jim Clarke）表示， 用硅制造量子比特更容易达到要求的量子比特数目 （当然，Intel同时也在研发基于超导电路制造量子比特的技术）。硅的优势在于： 可以利用传统微电子工业几十年来积累的大规模集成电路制造经验 。

　　

Intel的工程师表示，目前已经可以将超纯硅附着在标准工业级晶圆上

　　 Intel方案是： 将一个电子约束在改进后的晶体管中，然后利用该单电子的自旋特性来建立量子比特。 克拉克表示，大量制造晶体管是非常成熟的技术，借助Intel在微电子工业的雄厚积累，通过对晶体管稍加改动，就可以制造出性能合乎要求的量子比特。

　　 Intel团队对硅情有独钟的另外一个原因是： 硅量子比特比超导量子比特更稳定。 量子之间的相互作用很弱，极易受到干扰导致计算错误，而微电子工业界在保证大量晶体管的稳定性方面已经有丰富的经验。

　　 澳大利亚新南威尔士大学量子比特研究团队成员安德鲁·杜拉克（Andrew Dzurak）表示，Intel已经在与两家材料技术公司――Urenco和Air Liquide――合作，以期尽快获得成果。

　　 目前，Intel与QuTech合作进行的 容错量子计算 （Fault-tolerant Quantum Computing, FTQC）研究项目，主要涉及的方向包括：

　　 ● 硅量子点的电子自旋量子比特

　　 ● 超导传输子量子比特

　　 ● 用低温电子学方法控制与测量量子比特

　　 ● 经典控制电路与量子比特的交互连接

　　

　　 Intel和QuTech的联合研发团队

　　 现已取得的进展

　　 2015年9月项目开始之初， 双方主要精力都放在将自旋量子比特的规模扩大到3-4个量子点的实验上。 但规模化的瓶颈在于设备间差异，研究团队花费了大量时间来进行校正。通过引入模式识别的相关概念，目前已初步实现了校正过程的自动化。

　　 第二个研究关键点是通过硅材料代替砷化镓（GaAs），来改善 相干时间 。取得的研究成果 是将自旋退相干时间优化了100倍，而且实现了极高的自旋操作可靠性。 最终，形成了基于浮动栅极的大型量子点二维阵列的初步构想。

　　 相干时间就是信道保持恒定的最大时间差范围，发射端的同一信号在相干时间之内到达接收端，信号的衰落特性完全相似，接收端认为是一个信号。

　　 目前，研究团队已开始着手开发低温环境下工作的FPGA平台， 用来控制大型量子比特阵列，同时获取读数。 由于该平台架构比较精简，从而减少了从基准温度到常温的变化所带来的交互作用，不需要高成本的加热循环，就能重建对量子比特的控制功能。

　　 FPGA平台的一些组件已通过深亚微米CMOS技术进行了整合，并在4K及更低温度下通过了测试，在1.2GHz的带宽条件下获得了比1K噪声温度更好的结果。最终开发出了单电子晶体管和低温CMOS模型。

　　

　　 关于超导方面的工作主要则集中在超导量子处理器、常温下的电子学，以及相关软件的开发。芯片制造方面，最重要的是如何将处理器的 横向I/O （输入输出）模式过渡到 完全垂直的I/O模式 ，这是增加量子比特数量的关键所在。

　　 垂直I/O的开发涉及到一系列的新制造工艺，包括硅基底深刻蚀、超导体3D结构敷形涂覆、芯片在多层PC板上的铟焊一次成型。 Intel在此类制造工艺方面拥有深厚的技术累积 。

　　 在控制方面，主要着眼于数字与微波模拟电路在超导量子比特中的规模化控制，包括高精度脉冲、任意波形发生器、能量放大器、I/Q混合器，以及多路复用读出器和脉冲序列的FPGA平台。

　　 用于控制复杂处理器的量子指令集架构目前已经开发完成，并在1量子比特层面通过测试，这是非常关键的一步。 2016年的主要目标将是开发17量子比特的超导集成电路，以及与之匹配的软件控制系统 。

　　

　　 此外，即使是走超导量子比特路线的研究团队，也不同程度地 采用了成熟的芯片制造技术 。但是，超导量子比特比晶体管大得多，因此大批量制造超导量子比特并将其集成在芯片上存在诸多技术困难。

　　 查德·里格提（Chad Rigetti）也承认， 大规模制造和集成超导量子比特难度很大，但是他认为，这些困难并非不能解决。 他是致力于超导量子比特研发的初创公司Rigetti Computing的CEO和创始人。

　　 Google与里格提持有相同观点： 再过几年，他们就能制造出包含上成百上千个超导量子比特的芯片，在化学和机器学习等领域施展碾压传统计算机的计算能力。

　　 编译：离子心

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