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英特爾/QuTech發表Horse Ridge 強化量子運算布局 

文‧孫宇萱 發布日期:2020/02/20 關鍵字:英特爾IntelQuTechISSCC低溫量子控制Qubits量子運算CMOS22奈米FFL分頻多工相位偏移超導量子位元自旋量子位元

英特爾實驗室(Intel Labs)日前與荷蘭研究機構QuTech共同於2020年國際固態電路研討會(International Solid-State Circuits Conference, ISSCC)發表研究論文,介紹其新型低溫量子控制晶片Horse Ridge所採用的關鍵技術,包含可擴展性、保真度和彈性等特性,進一步解決建構量子系統時面臨的挑戰。

英特爾實驗室量子硬體總監Jim Clarke表示,現今的量子研究人員僅能使用少量的量子位元(Qubits),以及圍繞著複雜控制和互連機制的較小型客製化設計系統。Horse Ridge大幅降低了這種複雜性,透過系統化擴展到量子實用性所需的數千個量子位元,將持續朝著在未來實踐量子運算的商業可行性的目標邁進。

新低溫控制晶片將加速全端(Full-stack)量子運算系統發展。

Horse Ridge透過整合式系統單晶片(SoC)設計,採用英特爾22奈米FFL(FinFET低功耗)CMOS技術,將四個射頻(RF)通道整合到單一裝置當中;每個通道都可以利用分頻多工(Frequency Multiplexing)的方式控制多達32個量子位元;該技術將可用的總頻寬畫分為一系列不重疊的頻段,每個頻段均用於承載獨立的訊號。利用這四個通道,可透過單一裝置控制多達128個量子位元,進而大幅減少先前所需的電纜和機架儀器的數量。

而量子位元數的增加會引發其他挑戰量子系統容量和運作的問題,其潛在影響之一將使量子位元保真度和效能下降。英特爾最佳化多工(Multiplexing)技術,使系統能夠擴大規模並減少相位偏移(Phase Shift)所帶來的誤差,避免量子位元之間的串擾(Crosstalk)。該晶片所利用的各種頻率都可以進行高精度的調諧(Tune),使量子系統能用同一個射頻頻率控制多個量子位元時調整並自動校正相移,以提高量子位元的量子閘(Gate)保真度。

雙方於2019年便已攜手研究以晶片控制自旋量子位元。

此外,該晶片可覆蓋廣泛的頻率範圍,以控制超導量子位元(又稱為Transmon)和自旋量子位元(Spin Qubit),其通常在6GHz~7GHz左右的頻率下運作,而自旋量子位元則在13GHz~20GHz的頻率下運作。

目前量子研究界仍處於起步階段,距離展示量子實用性仍有很長的一段路。量子運算能否應用於實際問題,取決於能否在高保真度下同時擴展和控制數千個量子位元。英特爾目前正研究矽(Silicon)自旋量子位元,其有可能在高達1克耳文(Kelvin, K)的環境下工作,而本次研究整合矽自旋量子位元裝置和新晶片的低溫控件,於精簡封裝中配置量子位元和控制元件。

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