量子計(jì)算的下一步是什么？

著名科幻作家威廉·吉布森曾說(shuō)過(guò)：“未來(lái)已來(lái)；只是分布不是很均勻?！?這是英特爾高級(jí)研究員、副總裁兼英特爾實(shí)驗(yàn)室主任 Rich Uhlig 在最近的英特爾實(shí)驗(yàn)室日上的開(kāi)場(chǎng)詞。在活動(dòng)期間，英特爾重點(diǎn)介紹了跨多個(gè)領(lǐng)域的研究計(jì)劃。其中一個(gè)特別是量子計(jì)算，其中引入了第二代馬嶺低溫量子控制芯片。

談到技術(shù)的潛在利益分布不均，Rich Uhlig 強(qiáng)調(diào)了基因分型技術(shù)和家庭 DNA 測(cè)試在今天是可用的，但它們并不能大規(guī)模地提供給世界人口，這證明未來(lái)并不是“分布均勻的”。同時(shí)，從 IT 的角度來(lái)看，必須大規(guī)模移動(dòng)、存儲(chǔ)、分析、保護(hù)和計(jì)算大量數(shù)據(jù)。地球上越來(lái)越多地被傳感器覆蓋，每天都在產(chǎn)生大量新數(shù)據(jù)。新的挑戰(zhàn)即將到來(lái)。

我們需要跨越計(jì)算和內(nèi)存互連的不同技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行巨大改進(jìn)。英特爾認(rèn)為，這些收益需要一種新的思維方式，當(dāng)專家可以通過(guò)交叉多學(xué)科知識(shí)、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行協(xié)作時(shí)，它們就會(huì)出現(xiàn)。英特爾在此次活動(dòng)中強(qiáng)調(diào)了其中一個(gè)領(lǐng)域：量子計(jì)算。

近年來(lái)，量子計(jì)算一直是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域，許多不同的公司都在研究它。量子計(jì)算機(jī)有一些獨(dú)特的特性，使它們非常強(qiáng)大。

在接受 EE Times 采訪時(shí)，英特爾實(shí)驗(yàn)室量子應(yīng)用和架構(gòu)總監(jiān) Anne Matsuura 博士與英特爾量子硬件總監(jiān) James Clarke 博士在活動(dòng)中就該主題發(fā)表了演講，重點(diǎn)介紹了顛覆性技術(shù)的應(yīng)用并更深入地了解英特爾的量子努力。

新材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)是使用量子技術(shù)可能產(chǎn)生有意義影響的早期應(yīng)用之一?！拔覀兿嘈牛虡I(yè)規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)將允許模擬這些材料，以便在未來(lái)，我們還可以設(shè)計(jì)具有所需特性的材料和化學(xué)品，”松浦說(shuō)。“今天的 100 個(gè)量子位甚至數(shù)千個(gè)量子位不會(huì)導(dǎo)致我們得到這個(gè)結(jié)果。我們將需要一個(gè)具有數(shù)百萬(wàn)量子比特的商業(yè)規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)這種雄心勃勃的問(wèn)題解決的量子實(shí)用性?！?/p>

什么是量子比特？量子與經(jīng)典計(jì)算

量子比特是量子系統(tǒng)和量子力學(xué)某些元素的信息“比特”。但是量子比特是如何物理創(chuàng)建的呢？電子設(shè)備如何有效控制量子系統(tǒng)中的量子比特？

與傳統(tǒng)位不同，量子位不是以零或一狀態(tài)存在，而是同時(shí)以兩種狀態(tài)的“疊加”存在。此外，在量子處理器中，可以有更多處于疊加狀態(tài)的量子比特相互連接，以至于它們表達(dá)了一種稱為糾纏的群體行為。這種糾纏狀態(tài)是量子計(jì)算機(jī)令人難以置信的計(jì)算能力的基礎(chǔ)，也是它們解決傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)能力之外的復(fù)雜任務(wù)的潛力的來(lái)源。

作為 Rich Uhlig 實(shí)驗(yàn)室日主題演講的一部分，Matsuura 為量子部分做了介紹性演講，介紹了英特爾在做什么以及最新的市場(chǎng)發(fā)展。

“獲得關(guān)于量子計(jì)算的直覺(jué)的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是將計(jì)算機(jī)比特視為一枚硬幣，”她說(shuō)?！八梢蕴幱谡鏍顟B(tài)或反面狀態(tài)——它要么處于一種狀態(tài)，要么處于另一種狀態(tài)?，F(xiàn)在想象硬幣在旋轉(zhuǎn)。它在旋轉(zhuǎn)時(shí)，從某種意義上說(shuō)，它同時(shí)處于正面狀態(tài)和反面狀態(tài)；它是兩種狀態(tài)的疊加?！?/p>

這類似于量子位或量子位。Matsuura 補(bǔ)充說(shuō)：“現(xiàn)在想象一下，我們將兩個(gè)量子比特放在一起并將它們糾纏在一起。現(xiàn)在我們同時(shí)有四個(gè)狀態(tài)。所以兩個(gè)糾纏的量子比特同時(shí)代表四種狀態(tài)的混合。更一般地說(shuō)，n 個(gè)量子比特代表2n個(gè)狀態(tài)。”

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨著量子比特的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。理論上，如果我們有 50 個(gè)這樣的糾纏量子比特，我們可以訪問(wèn)比任何可能的超級(jí)計(jì)算機(jī)更多的狀態(tài)。如果我們有 300 個(gè)糾纏的量子比特，我們可以同時(shí)表示比宇宙中的原子更多的狀態(tài)。

與經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，量子計(jì)算機(jī)由由基本量子邏輯門(mén)組成的量子電路組成。量子計(jì)算機(jī)有可能解決傳統(tǒng)計(jì)算解決方案無(wú)法解決的問(wèn)題。底層技術(shù)是量子物理學(xué)；因?yàn)橐粋€(gè)量子比特（或量子比特）可以同時(shí)存在于多個(gè)狀態(tài)，它可以用來(lái)同時(shí)計(jì)算所有可能的狀態(tài)，顯著加快了復(fù)雜問(wèn)題的解決速度。

“量子比特沒(méi)有很長(zhǎng)的壽命，噪音或觀察會(huì)導(dǎo)致信息丟失，”松浦說(shuō)。“因此，在現(xiàn)實(shí)中，我們需要數(shù)十萬(wàn)甚至更可能是數(shù)百萬(wàn)的高質(zhì)量量子比特來(lái)用于商業(yè)規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)。換句話說(shuō)，我們需要對(duì)量子進(jìn)行擴(kuò)展才能對(duì)實(shí)際應(yīng)用有用。英特爾的量子研究計(jì)劃專注于幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：自旋量子比特技術(shù)、低溫控制技術(shù)和全棧創(chuàng)新。這些領(lǐng)域中的每一個(gè)都解決了與擴(kuò)展量子相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，英特爾正在系統(tǒng)地解決每一個(gè)問(wèn)題以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展?！?/p>

量子位技術(shù)

量子位在我們今天看到的小型量子計(jì)算系統(tǒng)中可用。它們的質(zhì)量和數(shù)量根本不足以讓它們進(jìn)入商業(yè)規(guī)模的系統(tǒng)。我們將需要有許多穩(wěn)定或抗噪聲的量子位以及量子位之間的高效連接，以擴(kuò)展到具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)能夠運(yùn)行量子算法的商業(yè)規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)。在松浦的演講之后，詹姆斯克拉克發(fā)表了有趣的演講。

克拉克指出，英特爾有興趣打造擁有數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)?！拔覀冋谑褂门c晶體管相同的技術(shù)來(lái)構(gòu)建我們的量子比特芯片。我們正在使用 CMOS 控制電子設(shè)備控制我們的量子比特，這些電子設(shè)備是用我們的晶體管技術(shù)制造的?！?/p>

短期應(yīng)用將在化學(xué)、材料、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，正在尋求優(yōu)化算法、密碼學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用。

克拉克指出，有很多方法可以為量子計(jì)算機(jī)制造量子比特。第一個(gè)是捕獲離子，您可以在其中使用激光研究金屬離子的激發(fā)態(tài)。這些激發(fā)態(tài)可以代表零和一個(gè)量子位。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際上與 2012 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的原子鐘非常相似。

第二種技術(shù)是超導(dǎo)量子比特技術(shù)，其中超導(dǎo)金屬的小環(huán)用于基本上創(chuàng)建一個(gè)人造原子，其狀態(tài)代表零和系統(tǒng)之一。

第三種技術(shù)是硅量子點(diǎn)或自旋量子比特，它本質(zhì)上控制電子的自旋，而自旋代表量子比特的零和一態(tài)?！拔覀冋J(rèn)為這對(duì)英特爾來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)非常有趣的技術(shù)，”克拉克說(shuō)。

與晶體管的類比使我們能夠解釋這項(xiàng)最新技術(shù)。晶體管本質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)關(guān)。當(dāng)您施加電壓或電位時(shí)，就會(huì)有電流流過(guò)設(shè)備。

“晶體管是地球上最無(wú)所不在的人造物體，”克拉克說(shuō)?！霸谟⑻貭?，我們相信我們每年出貨 800 萬(wàn)億個(gè)晶體管；這是一個(gè)不可思議的數(shù)字。事實(shí)是，地球上的每一個(gè)人每天每一分鐘都有幾個(gè)晶體管。有人預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)中期，地球上的晶體管數(shù)量將超過(guò)人類細(xì)胞的數(shù)量。晶體管無(wú)處不在。”

不是讓許多電子的電流流過(guò)器件，而是捕獲單個(gè)電子。在該設(shè)備中，創(chuàng)建了單個(gè)電子晶體管。通過(guò)將許多這樣的單個(gè)晶體管組合在一起，我們可以創(chuàng)建一個(gè)電子網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)控制各個(gè)晶體管之間的電位，我們實(shí)際上可以控制兩個(gè)相鄰電子之間的相互作用。

單個(gè)電子晶體管在磁場(chǎng)中的參與將導(dǎo)致該單個(gè)電子具有兩種用于量子比特的能量狀態(tài)?！坝袃煞N狀態(tài)，我們基本上是在控制一個(gè)電子，”克拉克說(shuō)?！拔覀儎?chuàng)建旋轉(zhuǎn)量子比特的方式與我們創(chuàng)建晶體管的方式相同。有兩種狀態(tài)，我們本質(zhì)上是在控制一個(gè)電子。我們制造自旋量子比特的方式與制造晶體管的方式相同。我們當(dāng)前的技術(shù)基于 fin-FET 幾何結(jié)構(gòu)；我們正在以基于鰭的相同方式制造我們的量子比特結(jié)構(gòu)?！?/p>

在這一點(diǎn)上，改進(jìn)量子位技術(shù)涉及解決與晶體管相同的挑戰(zhàn)，即尺寸可變性、柵極氧化物缺陷和電壓可變性。在此過(guò)程中，快速表征量子位非常重要。

量子位控制

量子計(jì)算的挑戰(zhàn)之一是量子位控制。正如松浦指出的那樣，這些量子信息非常脆弱。

今天的量子比特由許多電子機(jī)架控制，這些電子機(jī)架具有連接到量子比特的復(fù)雜接線，這些電子機(jī)架位于低溫冰箱中，以保護(hù)脆弱的量子比特免受商業(yè)規(guī)模量子計(jì)算的熱噪聲和電噪聲的影響?！斑@是英特爾正在利用具有可擴(kuò)展互連的低溫量子位控制芯片技術(shù)解決的一個(gè)領(lǐng)域，”Matsuura 說(shuō)。

制造更多的量子比特會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)條線路，這使得硬件過(guò)于復(fù)雜。英特爾為提高布線效率而采取的一種方法是使用基于 CMOS 技術(shù)的技術(shù)使控制非常接近量子芯片。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它將允許使用更少的電線和更優(yōu)雅的互連系統(tǒng)。該技術(shù)是英特爾的 Horse Ridge，采用英特爾的 22FFL CMOS 工藝生產(chǎn)。其功能已在 4 開(kāi)爾文得到驗(yàn)證。

在英特爾實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)期間，該公司推出了其第二代低溫量子控制芯片 Horse Ridge II。Horse Ridge II 建立在第一代 SoC 的能力之上，并產(chǎn)生射頻脈沖來(lái)操縱量子比特的狀態(tài)，稱為量子比特驅(qū)動(dòng)。它引入了兩個(gè)額外的控制功能：量子位讀出，一個(gè)可以讀取當(dāng)前量子位狀態(tài)的功能，以及多門(mén)脈沖，它可以同時(shí)控制多個(gè)量子位門(mén)。增加在集成電路中運(yùn)行的可編程微控制器使 Horse Ridge II 能夠在如何執(zhí)行這些控制功能方面提供更高水平的靈活性和復(fù)雜的控制。

借助 Horse Ridge，英特爾希望通過(guò)降低量子系統(tǒng)互連的復(fù)雜性來(lái)將量子計(jì)算機(jī)的可擴(kuò)展性提高到數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，這是實(shí)現(xiàn)量子實(shí)用性和通過(guò)量子計(jì)算機(jī)解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的關(guān)鍵障礙之一。

為量子計(jì)算機(jī)編程

量子計(jì)算機(jī)不像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣工作：量子計(jì)算機(jī)不是在二進(jìn)制算術(shù)上運(yùn)行，而是操縱量子波函數(shù)的概率幅度，然后對(duì)結(jié)果概率分布進(jìn)行采樣。“對(duì)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程與對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程非常不同，”松浦說(shuō)?！傲孔颖忍卣娴暮艽嗳?；糾正發(fā)生的量子比特錯(cuò)誤的能力將非常重要。但是由于今天的量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)系統(tǒng)，我們正在開(kāi)發(fā)抗噪聲量子算法和錯(cuò)誤緩解技術(shù)，以幫助我們?cè)诋?dāng)今的小型量子比特系統(tǒng)上運(yùn)行這些算法。

“量子位控制處理器將微碼發(fā)送到控制電子設(shè)備，”她補(bǔ)充說(shuō)?！安⑶宜鼘⑦\(yùn)行該量子算法所需的算法中的所有邏輯操作轉(zhuǎn)換為微碼。這告訴控制電子設(shè)備要發(fā)送什么脈沖以及何時(shí)將它們發(fā)送到量子比特。在經(jīng)典處理器上運(yùn)行的運(yùn)行時(shí)軟件加載并執(zhí)行量子程序、您的算法，并將這些量子操作指令序列提供給量子位控制處理器執(zhí)行。程序代碼由經(jīng)典指令和量子指令組成，由量子編譯器生成。編譯器采用算法，對(duì)其進(jìn)行編譯，并根據(jù)量子比特之間的連接性和量子比特的特定屬性，計(jì)算出如何映射和調(diào)度你的量子上行量子比特。

程序代碼由經(jīng)典指令和量子指令組成，由量子編譯器生成?？紤]到量子位及其屬性之間的連通性，它計(jì)算如何在量子位上映射和編程量子操作。量子編譯器具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。他們必須編排一種量子比特舞蹈，在正確的時(shí)間將量子比特定位并移動(dòng)到正確的位置，而在截止日期前工作的算法是量子比特的壽命非常短，通常只有幾分之一秒，并且操作需要重要且經(jīng)常變化的時(shí)間尺度。

糾錯(cuò)是另一個(gè)有趣的話題，對(duì)于具有數(shù)百萬(wàn)量子比特的商業(yè)規(guī)模系統(tǒng)，需要大量工作來(lái)選擇正確的邏輯量子比特而不會(huì)出錯(cuò)。與此同時(shí)，英特爾正在開(kāi)發(fā)抗噪量子算法和錯(cuò)誤緩解技術(shù)，以幫助這些算法在當(dāng)今的所有量子位系統(tǒng)上運(yùn)行。

校正量子誤差是大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，因?yàn)樗兄诒３至孔佑?jì)算所依賴的脆弱量子態(tài)。糾錯(cuò)所需的操作不僅非常復(fù)雜，而且必須保持量子信息不變。

提高容錯(cuò)性的一種方法是將部分計(jì)算委托給 CPU。而且，實(shí)際上，整個(gè)堆棧都需要這種經(jīng)典的量子混合方法?！拔覀兿Ｍ覀冇糜谏虡I(yè)全面量子計(jì)算系統(tǒng)的許多算法都是由經(jīng)典和量子部分組成的混合體，利用兩種計(jì)算模型各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，”松浦說(shuō)。

量子計(jì)算機(jī)的驗(yàn)證

研究和開(kāi)發(fā)始于對(duì)系統(tǒng)即將執(zhí)行的工作負(fù)載的深刻理解。工作負(fù)載的性質(zhì)指導(dǎo)了完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

松浦在克拉克演講后的演講強(qiáng)調(diào)了這樣一個(gè)事實(shí)，即即使有大量的量子比特，如果不構(gòu)建計(jì)算堆棧的所有元素，我們也永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行有用應(yīng)用程序的目標(biāo)?！霸谖覀冋嬲龘碛幸慌_(tái)實(shí)用的、商業(yè)規(guī)模的、有用的、有影響力的量子計(jì)算機(jī)之前，還有很長(zhǎng)的路要走，”她說(shuō)。“如果沒(méi)有完整的堆棧、硬件和軟件，我們就不會(huì)有量子計(jì)算系統(tǒng)。

她補(bǔ)充說(shuō)：“英特爾推出了有助于在我們工廠的 CMOS 晶圓上快速測(cè)試我們的量子比特的設(shè)備?！?“我們用幾個(gè)小時(shí)而不是幾天來(lái)獲取信息；我們本質(zhì)上是在模仿標(biāo)準(zhǔn)晶體管研發(fā)中的信息循環(huán)周期。如果沒(méi)有新的低溫探測(cè)器，即我們與合作伙伴 Bluefors 和 Afore 開(kāi)發(fā)的定制設(shè)計(jì)設(shè)備，我們可以獲得測(cè)試數(shù)據(jù)并以 1，000 倍的速度從我們的研究設(shè)備中學(xué)習(xí)，從而顯著加速量子比特的開(kāi)發(fā)?！?/p>

克拉克在演講中解釋說(shuō)：“在英特爾，我們正在使用與我們先進(jìn)的晶體管技術(shù)相同的技術(shù)制造我們的量子比特。這是在位于俄勒岡州的工廠完成的。我們正在使用 300 毫米晶圓制造這些設(shè)備；我們得到的每一個(gè)晶圓，我們都會(huì)生產(chǎn)成千上萬(wàn)的量子設(shè)備來(lái)測(cè)試這些量子比特。我們使用所謂的稀釋冰箱在非常低的溫度下冷卻我們的量子芯片，以保持量子效應(yīng)。我們正在考慮的溫度比絕對(duì)零高幾分之一度?！?/p>

由英特爾、Bluefors 和 Afore 構(gòu)建的第一臺(tái)低溫晶圓探測(cè)器是一種低溫探測(cè)器工具，旨在測(cè)試和驗(yàn)證量子計(jì)算所需的量子比特。低溫晶圓探測(cè)器允許研究人員在 300 毫米晶圓上測(cè)試低至幾開(kāi)爾文溫度的量子比特，使其成為首個(gè)用于量子計(jì)算的測(cè)試工具。

在此過(guò)程中，有一些探針可以對(duì)這些晶體管進(jìn)行表征。通過(guò)英特爾的低溫探測(cè)器，可以掃描 300 毫米晶圓以快速表征量子比特。分析這種情況的一種方法是在量子位附近應(yīng)用小微波脈沖來(lái)觀察上態(tài)和下態(tài)變化。

未來(lái)的量子計(jì)算應(yīng)用已經(jīng)吸引了全世界的想象力，因此，它一直是媒體大肆宣傳的主題。量子計(jì)算機(jī)有朝一日可能會(huì)對(duì)運(yùn)輸和路線物流、設(shè)計(jì)新藥物和蛋白質(zhì)折疊等領(lǐng)域產(chǎn)生影響，甚至可能對(duì)氣候風(fēng)險(xiǎn)分析和金融期權(quán)的價(jià)格進(jìn)行建模，當(dāng)然還有最初的應(yīng)用之一引起了對(duì)量子計(jì)算的興趣：密碼學(xué)。但實(shí)際上，這些用途取決于量子計(jì)算、硬件和軟件方面的發(fā)現(xiàn)，并且需要很多年才能實(shí)現(xiàn)。

因?yàn)榱孔佑?jì)算是一種全新的計(jì)算類型，它以完全不同的方式運(yùn)行程序，所以我們需要專門(mén)為量子計(jì)算開(kāi)發(fā)的硬件、軟件和應(yīng)用程序。

“這意味著量子計(jì)算需要從控制電子設(shè)備到編譯器再到量子位控制處理器和量子位芯片設(shè)備的計(jì)算堆棧的各個(gè)級(jí)別上的新組件，”松浦說(shuō)。“英特爾正在開(kāi)發(fā)完整的量子計(jì)算堆棧的所有組件?！?/p>

正如 Matsuura 所指出的，讓這些量子組件一起工作是某種量子編排。她補(bǔ)充說(shuō)，與外部實(shí)體的合作可以為該領(lǐng)域的進(jìn)展提供額外的動(dòng)力?！拔覀兣c芝加哥大學(xué)等多所大學(xué)合作。我們最近承諾參與能源部宣布的名為 Q-NEXT 的國(guó)家量子信息科學(xué)研究中心，英特爾將為研究合作伙伴提供完整的量子堆棧?！?/p>

正如 Matsuura 在我們的采訪和英特爾實(shí)驗(yàn)室日活動(dòng)中指出的那樣，量子計(jì)算技術(shù)仍然存在許多挑戰(zhàn)。一是可擴(kuò)展性。今天的量子計(jì)算系統(tǒng)是可擴(kuò)展的蠻力版本，可以避免擴(kuò)展至數(shù)百萬(wàn)量子比特所帶來(lái)的問(wèn)題。“我們正試圖弄清楚如何擴(kuò)展到大量的量子比特，”她說(shuō)。