關(guān)于Intel的量子計算計劃的分析和介紹

隨著量子計算領(lǐng)域的不斷發(fā)展，Intel、Google、IBM、D-Wave等都在力爭成為開啟通用量子計算機(jī)商業(yè)化的第一人，其中尤以Intel為代表。雖然D-Wave宣稱已經(jīng)做到了這一點(diǎn)，但業(yè)界對此還存在較大爭議。量子計算的發(fā)展前進(jìn)道路還很漫長，需要艱辛的努力。

本周，Intel展示了其工程師和合作伙伴QuTech的技術(shù)，該公司屬于一家應(yīng)用科學(xué)研究公司，是Technical University of Delft （TU Delft）和Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek（TNO）的量子計算分支，目前正在與Intel合作開展量子計算技術(shù)。

TNO成立于1988年，年預(yù)算為5億歐元，負(fù)責(zé)進(jìn)行各種初步研究。荷蘭已經(jīng)成為量子計算技術(shù)的溫床，除此之外，美國和日本政府也希望通過這種方式保持這種合伙關(guān)系，TNO于2015年底與Intel合作，Intel投資5000萬美元用于TU Delft和TNO之間的QuTech合作伙伴關(guān)系，而Intel主攻量子計算程序。

通過這種合作伙伴關(guān)系，Intel正在將其在材料科學(xué)，半導(dǎo)體制造，互連和數(shù)字系統(tǒng)方面的專業(yè)技術(shù)用于開發(fā)兩種類型的量子位或量子比特，這是量子計算機(jī)中處理的基本要素。 QuTech的合作伙伴關(guān)系涉及超導(dǎo)量子位的制造，與此同時Intel還在開發(fā)另一種稱為自旋量子點(diǎn)的技術(shù)，利用更傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)來創(chuàng)建量子晶體管，這是一種非常新穎、并行的計算方式。

本周的重磅消息是，Intel已經(jīng)能夠采用其工程師與QuTech工作人員一起創(chuàng)建的量子位設(shè)計，并將其在一個封裝上擴(kuò)展到17個量子位。

Intel量子硬件總監(jiān)Jim Clarke在TheNext Platform上指出，一年前，在其初始設(shè)備上只有幾個量子位，兩年前，一個也沒有。所以這是一個非常令人振奮的路線圖。Google正在測試一個20個量子位芯片，希望在年底之前有一個運(yùn)行在49個量子位芯片。Google還擁有D-Wave的量子退火系統(tǒng)，它們的量子位數(shù)量有所增加 ，目前有1000個，不久將達(dá)到2000個。但是根據(jù)Intel目前的數(shù)據(jù)顯示，這還并不足以使量子計算商業(yè)化。Intel的目標(biāo)是創(chuàng)建一個通用的計算機(jī)基礎(chǔ)架構(gòu)，并擴(kuò)展其在世界數(shù)據(jù)中心的制造和部署。

2017年4月在俄勒岡州希爾斯伯勒的IntelD1D / D1X工廠生產(chǎn)的量子芯片的生產(chǎn)和潔凈室設(shè)施。

Clarke表示，Intel正在努力建立一個通用的通用量子計算機(jī)，而不是一個量子退火機(jī)。Intel與其他研究團(tuán)隊的區(qū)別之一就是Intel專注于多個量子位類型。

第一個是超導(dǎo)量子位，與Google，IBM以及名為Rigetti Computing正在開發(fā)的啟動機(jī)構(gòu)類似。同時，Intel也在研究硅芯中的旋轉(zhuǎn)量子位，與我們的晶體管技術(shù)非常相似，在接下來的幾個月內(nèi)會有相關(guān)報道。這些旋轉(zhuǎn)量子位建立在在普通芯片制造領(lǐng)域的專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，真正讓Intel有別與其他人的是，Intel在非常低的溫度下使用先進(jìn)的封裝，以提高量子位的性能，并著眼于可擴(kuò)展性。

正如人們對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字處理器的晶體管或核的數(shù)量感到癡迷，人們對量子芯片上的量子位數(shù)量變得有些癡迷，Intel實(shí)驗(yàn)室新興技術(shù)研究總監(jiān)Jim Held表示，“”大家的注意力有點(diǎn)放錯了。對于那些看生活系統(tǒng)的人來說，這是完全正確的。Intel專注于使系統(tǒng)設(shè)計正確，然后將其放大到所有向量上，以構(gòu)建一個非常強(qiáng)大的量子計算機(jī)。

人們關(guān)注量子位的數(shù)量，但這僅僅是其中的一部分。作為工程師，我們正在不斷接近這點(diǎn)，一切都不同于普通電子計算機(jī)。它不僅僅是器件，它會控制電子以及用微波脈沖操縱量子位，并用非常敏感的直流儀器進(jìn)行測量，從某些角度上來講，它更像是模擬計算機(jī)。它的數(shù)字電子設(shè)備就能進(jìn)行錯誤校正。因?yàn)榱孔悠骷浅４嗳酰⑶胰菀壮霈F(xiàn)錯誤，我們的糾錯的程度，直接決定了它們的計算能力。

為了在這些量子位的陣列中獲得潛在的并行性，我們將研發(fā)一種新型的編譯器，它的程序編寫的算法將與傳統(tǒng)數(shù)字編程完全不同。雖然在各個學(xué)術(shù)界都有研究，作為一個工程團(tuán)隊，我們必須把它們整體作為一臺電腦。

此外，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，我們希望在任何時候了解我們在一個層面上的選擇對于其余的計算機(jī)來說意味著什么。我們知道的是，如果你有一個充滿這些量子位的盤，你沒有一個量子計算機(jī)，并且一些最大的擴(kuò)展問題在堆棧的其余部分。僅僅只關(guān)注數(shù)量或數(shù)量的一致性時間真的使得不利于我們的研發(fā)。

這類似于沒有足夠的帶寬或低延遲的大規(guī)模并行機(jī)器，可以有效地跨核心，套接字或節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通話并共享工作。您可以按需要填充盡可能多的內(nèi)核，但是作業(yè)不會更快。

因此，Intel正在將研究重點(diǎn)放在互連上，這些互連將在一個設(shè)備上和多個設(shè)備之間鏈接量子位。”

Jim Held進(jìn)一步指出，“互連是量子計算最核心的事情之一，從一開始，我們并沒有把重點(diǎn)放在一個近期的里程碑上，而是從互連的角度來看，從設(shè)計和控制的角度來講，要提供一個大型的通用量子計算機(jī)?！?/p>

Clarke表示，商用量子芯片上的片上互連跟常規(guī)數(shù)字芯片類似，只是用超導(dǎo)材料取代了銅線。

Intel在俄勒岡工廠制造而在亞利桑那州的封裝廠中封裝在超導(dǎo)量子位芯片的應(yīng)用中是一種看似有點(diǎn)荒唐的行為。

量子計算提出了一些物理挑戰(zhàn)，超導(dǎo)量子位的問題尤其棘手。需要保證量子狀態(tài)在比特級別能夠同時處理多個并行狀態(tài)，同時需要保證模擬器件在極冷的環(huán)境中跟外界的控制電子設(shè)備仍有良好的接觸。

Clarke說：“我們將這些芯片放在比外太空還冷得多的環(huán)境下（20毫開爾文）。首先，根據(jù)熱膨脹系數(shù)保證在芯片在這個溫度下不會分崩離析。然后需要考慮封裝收益以及單獨(dú)的量子位收益，而后我們考慮如何在更好的擴(kuò)展性的情況下連線。這些都是質(zhì)量要求很高的無線電或微波芯片，必須確保芯片在封裝后，在低溫下仍能保持這種質(zhì)量。我們能夠從封裝上得到很多性能和收益上的提升?！?/p>

在這種芯片上，Intel用類似于家用路由器背面端口的標(biāo)準(zhǔn)同軸端口蓋住了芯片的一側(cè)。每個量子位都有兩個或以上同軸電纜端口控制以及監(jiān)控其狀態(tài)。

Held說：“出于商業(yè)化的考慮，我們對縮放比例的問題上更加感興趣。這必須謹(jǐn)慎小心，以免陷入僵局。這種量子芯片不像Omni-Path那么復(fù)雜，并不能很好的縮放。我們感興趣的是用減少大量互連線的數(shù)量來得到提升。

上百萬量子位轉(zhuǎn)化為數(shù)百萬同軸電纜明顯不太實(shí)際，即使只有數(shù)百量子位也一樣。我們采用的一種方法是將控制量子計算機(jī)的電子器件移至非常冷的環(huán)境中，并不是毫開爾文的量級，而是4開爾文的液氫之中。我們在QuTech的合作伙伴是cryo-CMOS領(lǐng)域的專家，這意味著能夠讓芯片在4開爾文的范圍正常工作。通過將控制電路從量子計算機(jī)外部機(jī)架移至制冷單位中，可以有效減少到量子位的連線長度。”

關(guān)于量子位，疊加允許一個量子位能夠表示兩種不同的狀態(tài)，量子糾纏（被愛因斯坦稱之為“遠(yuǎn)距離幽靈行動”）允許狀態(tài)隨量子位數(shù)量提升而線性增加。嚴(yán)格來說，n個量子位對應(yīng)2n個狀態(tài)。互連線并不是用來保持量子位的量子態(tài)，而是監(jiān)控并保持量子態(tài)，更重要的是進(jìn)行糾錯。量子位非常穩(wěn)固，不能被動搖，移動或失去量子態(tài)。兩年前Google在德國舉辦的國際超級計算大會上指出，量子計算機(jī)最終可能成為傳統(tǒng)并行超級計算機(jī)的加速器，用于對量子位進(jìn)行糾錯與監(jiān)視，Intel也這樣認(rèn)為。

超導(dǎo)量子位的挑戰(zhàn)可能是Intel尋求旋轉(zhuǎn)量子位和更普遍的半導(dǎo)體工藝來創(chuàng)建狀態(tài)更容易保持的量子計算機(jī)芯片的原因之一。另一方面，Intel也是半導(dǎo)體制造行業(yè)的專家。所以，我們認(rèn)為QuTech在創(chuàng)建一個測試臺系統(tǒng)和可移植軟件棧，這種特殊的超導(dǎo)方式是具有投資價值的。 Held和Clarke都認(rèn)為，通用量子計算機(jī)需要大概八到十年的時間才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和運(yùn)營。

Held說：“這是研究，所以我們會基于我們的想法去解決一些問題。當(dāng)量子計算機(jī)能夠解決一些有趣而小的問題的時候，這將成為一座里程碑，然后發(fā)展為超級計算機(jī)以及云服務(wù)的有效加速器。

量子計算機(jī)并不是獨(dú)立的計算機(jī)，因?yàn)樗B很多傳統(tǒng)計算機(jī)做得很好的事情都不能做。雖然理論上任何量子計算機(jī)能做數(shù)字計算機(jī)所有的事情，但是它們做得并不好。我們現(xiàn)在遇到的問題預(yù)計需要花八到十年的時間才能解決。這些全是工程問題，物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)找到了可行的解決方案并能夠很好的拓展?！?/p>

Clarke補(bǔ)充指出，量子計算機(jī)的封裝方面還面臨很多物理問題。下一個目標(biāo)是建立一個健全的工藝控制這可能需要八至十年的時間。

Intel已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，但目前我們才剛剛邁出第一步，如果想要實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)商業(yè)化，甚至更普遍的應(yīng)用還需要很長的時間。Intel正試圖建立一個小的量子計算系統(tǒng)，它將向我們介紹量子計算棧的各個方面。同時，Intel正在硬件層面和架構(gòu)控制層面設(shè)計可擴(kuò)展性系統(tǒng)，以獲得更多的量子位。目前該領(lǐng)域還面臨很多問題，看來我們可能需要一臺量子計算機(jī)才能弄清我們何時能夠獲得量子計算機(jī)了。