英特爾實驗室(Intel Labs)宣佈推出17量子位元(17-qubit)的CMOS超導體展示平台,可望使量子運算更近一步邁向商用發展。英特爾日前並為其研究夥伴——荷蘭量子運算研究機構QuTech提供原型,以便在其量子演算法上進行測試,以及驗證該設計的商用關聯性。

英特爾在2015年加入量子電腦競賽,當時曾斥資5,000萬美元與QuTech聯手開發量子運算。研究人員們的目的在於將英特爾的CMOS設計與製造專長以及QuTech在連接、控制和測量多個糾纏量子位元的專業技術結合起來,共同加速有效量子電腦的商用化發展。

在今年的國際固態電路會議(ISSCC 2017)上,合作雙方共同發表了「15.5 Cryo-CMOS電路與系統現可擴展的量子運算」(15.5 Cryo-CMOS circuits and systems for scalable quantum computing)一文,展示整合低溫CMOS控制系統的關鍵電路模組,可冷卻達20毫開氏(mK)溫度(較太空深處更低250倍)。研究人員並展示一套可實現空間多工的可擴展「表面程式碼」除錯機制,描述於美國物理學會(APS)、QuTech的多位工程師與量子運算研究人員David Michalak合著的論文中。

20171020_quantum_NT01P1 Intel Labs發表17-qubit的超導晶片架構與封裝,可提高產量、性能和穩定性(來源:Intel)

研究人員們同時致力於兩項研究,使量子值達到最佳化:自旋量子製造流程採用英特爾300mm CMOS製程,以及超導原型的封裝進展。由於該原型採用新的封裝系統,並透過支援全錯誤校正、提升良率與性能的架構,從而實現17-qbit的量子運算。

負責管理這項研究任務的是英特爾量子硬體總監Jim Clarke,以及新技術研究總監Jim Held。Clarke說:「英特爾的量子電腦硬體相對來說較新,但正在快速進展中。我喜歡Apollo任務,因為它能排除萬難,在短短的幾年內能到達月球。同樣地,英特爾與QuTech的合作也能快速邁向商用化量子電腦。」

20171020_quantum_NT01P2 英特爾量子硬體總監Jim Clarke展示測試晶片(來源:Intel)

Held表示,雙方的合作計劃正開始組裝「量子演算法的完整軟體堆疊,包括從量子位元作業到所需的軟、硬體架構,以及量子應用本身。在2016年,我們打造了一個擁有42-qubit的大型量子位元模擬器——後來還擴展到45-qubit,可執行於英特爾的超級電腦,這使我們得以在量子硬體準備好商用化之際,也同時擁有一個開發量子軟體的可用平台。」

英特爾聲稱其量子電腦架構解決了多年來其他團隊遇到的許多問題,例如D-Wave Systems Inc.、Google Labs、IBM、Microsoft Labs、Quantum Circuits Inc.、Rigetti Computing和美國國家標準技術研究所(NIST)等單位的研究。

例如,英特爾採用各種氦氣同位素冷取量子位元至極低溫度(20mK或-459℉),以取代使硬體冷卻到一致的溫度,例如易於達到的液態氮溫度(77K或-320℉)或甚至是液態氦的溫度(4K或-452℉)。Clarke說,極度冷卻的目標在於達到零錯誤率,因而更具有商用化的可能性。

他說,「然而,整合低溫CMOS控制系統的關鍵電路模組只需要更容易達到的4K溫度就可以了。」。

英特爾擺脫了其他實驗室用於快速概念驗證展示的標準線接合技術,而是選擇了一種可擴展的方法,可使量子位元輸入與輸出更高10到100倍的訊號。

20171020_quantum_NT01P3 英特爾研究夥伴QuTech以量子演算法測試原型(來源:Intel)

Clarke說:「我們與QuTech長期合作設計該晶片及其封裝,以便打造更具有商用可行性、更通用的量子電腦,最終並為英特爾大幅提高在量子電腦競賽中的籌碼。」例如,D-Wave正尋求量子退火技術以解決最佳化的問題,而英特爾的目的是為傳統數位電腦解決許多難以克服的問題。

英特爾的元件研究部門以及組裝測試與技術開發部門共同設計該晶片與封裝技術,從而使量子位元之間的射頻(RF)干擾降至最低。

當然,英特爾的17-qubit超導晶片目前還只是一個驗證概念;相形之下,D-Wave已經在今年實現從1,000個躍升到2,000個超導量子位元了,可望以量子退火技術克服商用最佳化的問題。英特爾表示,該公司選擇17-qubit作為驗證其表面程式碼糾錯方案所需的最小數量,顯示它將有助於空間多工擴展到未來的商用級量子電腦。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Commercial Quantum Computing Pushes On,by R. Colin Johnson)