英特爾Horse Ridge II簡化量子控制系統(tǒng)的復(fù)雜性

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算能夠以更快的速度解決某些復(fù)雜問題。然而，現(xiàn)有的互連和電子控制方式成為了制約量子計(jì)算進(jìn)入商用的主要瓶頸。

圖1 Horse Ridge II及其與稀釋制冷機(jī)集成的近距離照片

在本周舉行的 國際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC) 上，英特爾將公布該公司第二代低溫量子控制芯片 Horse Ridge II 的技術(shù)細(xì)節(jié)。這款芯片凝結(jié)了英特爾集成電路設(shè)計(jì)、英特爾研究院和技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)和知識(shí)。

目前，量子計(jì)算機(jī)只能在毫開爾文范圍（僅比絕對(duì)零度高出幾分之一度）內(nèi)運(yùn)行。但是作為英特爾量子計(jì)算研究的基礎(chǔ)，硅自旋量子位可以在一開爾文或更高溫度下工作，這將大幅降低量子系統(tǒng)制冷的難度。英特爾的低溫控制研究致力于讓控制量子位和硅自旋量子位實(shí)現(xiàn)相同的操作溫度水平。

Horse Ridge II特點(diǎn)

Horse Ridge II的設(shè)計(jì)基于第一代SoC產(chǎn)生射頻脈沖以操縱量子位狀態(tài)的能力，也稱為量子位驅(qū)動(dòng)（Qubit Drive）, 并引入了額外的功能，包括讀取量子位狀態(tài)和同時(shí)控制多個(gè)量子位柵極電位。

●   Horse Ridge II是高度集成的低溫SoC，由超過1億個(gè)晶體管組成，使用了英特爾22納米（nm）低功耗FinFET技術(shù)。其功能和性能已在4開爾文條件下完成驗(yàn)證。

●   和上一代一樣，Horse Ridge II利用頻率復(fù)用（frequency multiplexing）來減少用于量子位驅(qū)動(dòng)和讀出的射頻（RF）電纜的數(shù)量。一個(gè)具有集成指令集的數(shù)字密集型架構(gòu)可使低溫芯片完美地集成到現(xiàn)有的量子控制堆棧中。

■   可驅(qū)動(dòng)多達(dá)16個(gè)自旋量子位，并具有直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）架構(gòu)和集成數(shù)字濾波器以減輕串?dāng)_，目標(biāo)輸出頻率范圍為11至17 GHz。

■   集成的微控制器在實(shí)現(xiàn)控制指令集和執(zhí)行算法方面具有更大的靈活性。

●   通過使用RF單電子晶體管反射儀，Horse Ridge II可同時(shí)讀取多達(dá)6個(gè)量子位的狀態(tài)。

●   該控制芯片還具有22個(gè)高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），以同時(shí)控制多個(gè)量子位的柵極電位。以前這些DAC是放置在室溫下的獨(dú)立電子器件，但現(xiàn)在可以通過導(dǎo)線進(jìn)入到低溫制冷機(jī)中以控制量子芯片上的柵極電位。

主要優(yōu)勢：

●   集成量子位讀出可以實(shí)現(xiàn)片上、低延遲量子位狀態(tài)檢測，無需存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，從而減少內(nèi)存和能源的使用。

●   同時(shí)控制多個(gè)量子位柵極電位的能力對(duì)于有效的量子位讀出以及多個(gè)量子位糾纏和操作至關(guān)重要。

●   通過在集成電路中運(yùn)行可編程微控制器，Horse Ridge II在執(zhí)行三種控制功能方面提供高度的靈活性并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜協(xié)調(diào)。

●   Horse Ridge II有可能取代傳統(tǒng)解決方案中使用的所有高速電子器件，為可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)鋪平道路。

輔助技術(shù)插圖如下：

圖2 Horse Ridge II低溫控制器的簡化框圖，并顯示了與量子位芯片的預(yù)期連接

圖3 上圖：在4K測得的PA和基帶VGA在不同增益設(shè)置下的量子位驅(qū)動(dòng)器輸出功率。顯示了<-50dBc IM3（兩個(gè)音調(diào)）的最大輸出功率。下圖：隨著能量增加，一系列高斯脈沖的時(shí)域捕獲

圖4 性能總結(jié)。所有測量都是在4開爾文溫度下完成