關(guān)于Intel生產(chǎn)量子芯片硅晶圓的性能介紹和應(yīng)用

來(lái)源：內(nèi)容綜合自Cnbeta、華爾街見(jiàn)聞和至頂網(wǎng)，謝謝。

去年，英特爾向量子計(jì)算的商業(yè)化邁出了一小步，拿出了17個(gè)量子位超導(dǎo)芯片，隨后CEO Brian Krzanich在CES 2018上展示了一個(gè)具有49個(gè)量子位的測(cè)試芯片。與此前在英特爾的量產(chǎn)努力不同，這批最新的晶圓專(zhuān)注于自旋量子位而非超導(dǎo)量子位。這種二次技術(shù)仍然落后于超導(dǎo)量子力度，但可能更容易擴(kuò)展。

展望未來(lái)，英特爾現(xiàn)在每周能夠生產(chǎn)多達(dá)五片硅晶片，其中包含多達(dá)26個(gè)量子位的量子芯片。這一成就意味著英特爾大幅增加了現(xiàn)有量子器件的數(shù)量，并可望在未來(lái)幾年穩(wěn)步增加量子比特?cái)?shù)。英特爾量子硬件總監(jiān)Jim Clarke接受采訪時(shí)透露，目前用于小規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)最終可能會(huì)擴(kuò)展到超過(guò)1000個(gè)量子位。由于溫度波動(dòng)引起的膨脹和收縮限制使得工程師不能簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展芯片上的量子位數(shù)。

目前，每個(gè)晶圓都由量子點(diǎn)組成，必須仔細(xì)切片，以便每個(gè)芯片以適當(dāng)數(shù)量的量子位結(jié)束。由于缺陷和物理限制，完成的芯片最終可能有3,7,11或26個(gè)量子位。無(wú)論哪種類(lèi)型的量子計(jì)算占上風(fēng)，英特爾的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)可以擴(kuò)展超過(guò)100萬(wàn)個(gè)量子位的架構(gòu)。這將允許使用相同的基本結(jié)構(gòu)，但改進(jìn)的量子位Overtime，而不必在每次產(chǎn)生新的量子突破時(shí)回到原點(diǎn)。

根據(jù)克拉克的說(shuō)法，“5年內(nèi)有1000個(gè)量子位不是不合理的?！彼容^了世界上第一塊集成電路和僅含2500個(gè)晶體管的英特爾4004處理器之間的時(shí)間。在量子技術(shù)方面，克拉克認(rèn)為英特爾可能在10年內(nèi)達(dá)到100萬(wàn)個(gè)量子位，但他表示在這方面他可能會(huì)有點(diǎn)樂(lè)觀。

尚待解決的挑戰(zhàn)之一是操作量子處理器所需的極端寒冷的溫度。由于溫度需要盡可能保持接近絕對(duì)零度，量子計(jì)算機(jī)的性能需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅，以使其具有成本效益。著技術(shù)的進(jìn)步，其實(shí)用性將迅速提高。

英特爾量子芯片的里程碑

在今年的CES上，英特爾向研究合作伙伴交付全新研制的49量子位測(cè)試芯片“Tangle Lake”，該芯片以美國(guó)阿拉斯加的湖泊命名，用來(lái)代表量子位運(yùn)行所需要的極低溫度，這一進(jìn)展也被許多人視作英特爾正接近實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的目標(biāo)。

英特爾將超導(dǎo)量子計(jì)算測(cè)試芯片的量子位從7、17提高到49（從左到右）

“49”是這次英特爾突破性進(jìn)展里繞不過(guò)的數(shù)字：“49”距離“量子霸權(quán)”僅一步之遙。

“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）這個(gè)術(shù)語(yǔ)是由加州理工量子理論學(xué)家John Preskill在2012年創(chuàng)造的，指的是當(dāng)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到50量子位的時(shí)候，其計(jì)算能力將超過(guò)世界上任何計(jì)算機(jī)，能解決任何計(jì)算機(jī)解決不了的問(wèn)題。

英特爾副總裁Michael Mayberry則選擇從科學(xué)的角度來(lái)解釋。

《IEEE綜覽》提到，Mayberry認(rèn)為，從科學(xué)的角度來(lái)看50量子位是一個(gè)有趣的情況，達(dá)到50量子位時(shí)，就沒(méi)有辦法完全預(yù)測(cè)或模擬芯片的量子行為。

IBM則提到，在大約50量子位的情況下，現(xiàn)有計(jì)算量子振幅的方法，要么需要太多的計(jì)算，要么需要的存儲(chǔ)比目前任何超級(jí)計(jì)算機(jī)上可用的還要多。

不過(guò)對(duì)于任何人而言，想要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的商用目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。

一方面，量子位十分脆弱，任何噪音或者干擾都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。英特爾指出，量子位要在極度低溫下運(yùn)行，約零下273攝氏度。

另一方面，現(xiàn)在49量子位或者50量子位還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

英特爾預(yù)計(jì)，未來(lái)5到7年的時(shí)間內(nèi)，研究人員能夠達(dá)到1000量子位系統(tǒng)的目標(biāo)。1000看似很多，然而許多專(zhuān)家認(rèn)為，從商業(yè)角度來(lái)看至少需要達(dá)到100萬(wàn)。

英特爾CTO：

量子計(jì)算大規(guī)模商業(yè)化還需十年

作為英特爾的科技創(chuàng)新引擎，英特爾研究院致力于推動(dòng)影響未來(lái)的前瞻性技術(shù)研發(fā)。

英特爾公司高級(jí)副總裁、首席技術(shù)官兼英特爾研究院院長(zhǎng)Michael Mayberry 在接受媒體采訪時(shí)強(qiáng)調(diào)，量子計(jì)算是英特爾非常重視的一個(gè)研究領(lǐng)域，英特爾認(rèn)為量子計(jì)算和未來(lái)發(fā)展方向是相吻合的，所以英特爾在這方面的研究已經(jīng)做好了準(zhǔn)備。

但在問(wèn)到量子位數(shù)量是否越多好的時(shí)候，Michael Mayberry表示，人們通常會(huì)比較關(guān)注于量子位的數(shù)量，但是對(duì)于每個(gè)量子位上面做的操作數(shù)量反而關(guān)注的不夠。比如說(shuō)有一堆的量子位，每個(gè)量子位都要先啟動(dòng)到一個(gè)可操作的狀態(tài)，哪個(gè)有生命期，先啟動(dòng)一個(gè)或者兩個(gè)，把它糾纏起來(lái)。在啟動(dòng)的過(guò)程中，系統(tǒng)還沒(méi)有完全啟動(dòng)那么多的量子位達(dá)到生命期的時(shí)候，你可以用了開(kāi)始啟動(dòng)的那幾個(gè)（量子位）的時(shí)間。所以，最后整個(gè)系統(tǒng)的生命期和單個(gè)量子位的生命期不是一個(gè)指標(biāo)。

很多IT廠商都在談?wù)摿孔佑?jì)算，但是從實(shí)際角度出發(fā)，量子計(jì)算離我們還很遠(yuǎn)。Michael Mayberry認(rèn)為，量子計(jì)算真正地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化還需要有十年時(shí)間。他形容英特爾在量子計(jì)算領(lǐng)域的布局只是馬拉松長(zhǎng)跑中的第一英里。未來(lái)他們還有很多的事情要做：

第一，不管量子位做得有多好，英特爾都認(rèn)為它還是不足以好到完美，需要有糾錯(cuò)方面的工作，以確保量子位有足夠長(zhǎng)的生命期，長(zhǎng)到它能夠完成一些有意義的算法或者說(shuō)是計(jì)算；

第二，需要有在本地對(duì)量子位的控制，而不是通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的纜線、遙遠(yuǎn)地加以控制；

第三，是路徑安排，怎么能夠把這些量子位真正地放到一個(gè)物理的量子位系統(tǒng)當(dāng)中，給它把路由做出來(lái)，做一個(gè)算法，有時(shí)候是直著走，有時(shí)候是要跳轉(zhuǎn)著走；

第四，是量子位之間的連接，需要把量子位連接起來(lái)，形成一個(gè)比較有規(guī)模的系統(tǒng)，這也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

謂商業(yè)上的有用性，怎么樣才叫有用？Michael Mayberry解釋道，我們沒(méi)有廣泛的共識(shí)，各個(gè)公司觀點(diǎn)不盡相同，我們都承認(rèn)，五年之后這個(gè)系統(tǒng)可能跑在1000個(gè)量子位之上，十年可能達(dá)到100萬(wàn)量子位，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)100萬(wàn)個(gè)量子位肯定是要比1000個(gè)或者我們現(xiàn)在能做的50個(gè)量子位要有用，但是到底樣的什么東西才叫有用，我們很難來(lái)解讀。

雖說(shuō)“量子計(jì)算能夠到處被加以使用”這個(gè)目的離我們非常遠(yuǎn)，但是，可以先把量子計(jì)算用來(lái)解決常規(guī)計(jì)算很難以解決的問(wèn)題。Michael Mayberry舉了兩個(gè)例子：模擬材料、汽車(chē)催化劑。