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英特尔实验室今天发布了代号为 “Horse Ridge” 的低温控制芯片，只有手掌大小，可以在 4 开尔文（零下 269 摄氏度）的温度下工作，适用于全栈量子计算系统的开发。
英特尔称，Horse Ridge 是在量子控制系统小型化的最新尝试，由荷兰代尔夫特理工大学和英特尔联合开发，使用自家的 22 纳米 FinFET 技术制造而成。它可以实现对多个量子比特的控制，为英特尔未来扩展到大规模系统铺垫了清晰的路线，提升了进一步设计、测试和优化商业化量子计算机的能力。
图 | Horse Ridge 低温控制芯片（来源：英特尔）
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。
英特尔量子硬件主管 Jim Clarke 表示，“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。有了 Horse Ridge，英特尔已经开发了一种可扩展的控制系统，它将大大加速我们对量子计算潜力的测试和实现。”
英特尔指出，自成立量子硬件部门以来，相比 “量子优越性”，自己更看重“量子实用性”，一种确定“量子系统能否彻底改变游戏规则来解决实际问题” 的基准，以追求实用量子系统的开发和商业化为主。
Horse Ridge 为什么重要
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（interconnect）和控制（control electronics）。
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。
研究人员一直致力于构建小型量子系统，以证明量子设备的潜力。在绝大多数情况下，量子系统被放在一个低温制冷系统内（类似于冰箱），人们使用电子元件和高性能大型计算设备将它们和传统计算设备相连，并通过后者调节量子系统和量子比特的性能。
（来源：英特尔）
这些设备通常是定制设计的，以控制单个量子比特，需要数百根连接线才能跨越 “冰箱” 控制量子处理器。验证量子系统的实用性需要成千上万个量子比特，而商用量子解决方案甚至需要数百万个量子比特，如果每个量子比特都需要这么多的连接线，系统的拓展性就受到了严重的阻碍。
借助 Horse Ridge，英特尔从根本上简化了运行量子系统所需的电子控制设备。用高度集成的片上系统（SoC）替换笨重的仪器，简化整体系统设计的同时，允许使用复杂的信号处理技术加快设置时间，改善量子比特性能以及更高效地扩展到更多的量子比特。
Horse Ridge 降低了冷却难度
Horse Ridge 是高度集成的混合信号 SoC，除此之外，英特尔并未透露更多技术细节。
它将量子比特的控制系统引入冰箱中，尽可能地靠近量子比特本身，从而有效降低了量子控制工程的复杂性：从数百根进出冰箱的电线，简化到在量子设备附近运行的一个独立封装芯片。
Horse Ridge 的编程指令与基本量子比特的操作保持一致，可以充当射频（RF）处理器来控制冰箱中运行的量子比特。它将程序指令转换为微波脉冲，以控制量子比特的状态。
（来源：英特尔）
Horse Ridge 控制芯片以俄勒冈州最冷的地区命名，寓意它支持在约 4 开尔文的极低温度下工作。但即使如此，这个温度还是高于超导量子比特系统所需的温度，大大降低了冷却量子系统的难度。
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。
未来随着研究的继续，英特尔希望让低温控制芯片和硅自旋量子比特处于相同的温度下运行。这样或许可以解锁更高级的封装和互连技术，创造新的解决方案，比如将量子比特和控制系统集成在一个简化的封装中。
写在最后
除了 22 纳米制程工艺，目前我们对英特尔 Horse Ridge 的技术参数几乎一无所知，比如它可以同时控制多少个量子比特或者对量子比特运算 / 控制性能带来多大提升。
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。
无论如何，看到不同团队愿意研究和发展不同的量子计算解决方案，足以让我们感到庆幸，对量子计算的大规模实用抱有希望。
