隨著量子計(jì)算領(lǐng)域的不斷發(fā)展，Intel、Google、IBM、D-Wave等都在力爭(zhēng)成為開(kāi)啟通用量子計(jì)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(duì)此還存在較大爭(zhēng)議。量子計(jì)算的發(fā)展前進(jìn)道路還很漫長(zhǎng)，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(jì)算分支，目前正在與Intel合作開(kāi)展量子計(jì)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(jì)算技術(shù)的溫床，除此之外，美國(guó)和日本政府也希望通過(guò)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(wàn)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(jì)算程序。

通過(guò)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(kāi)發(fā)兩種類型的量子位或量子比特，這是量子計(jì)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(shí)Intel還在開(kāi)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(lái)創(chuàng)建量子晶體管，這是一種非常新穎、并行的計(jì)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(jì)，并將其在一個(gè)封裝上擴(kuò)展到17個(gè)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(gè)量子位，兩年前，一個(gè)也沒(méi)有。所以這是一個(gè)非常令人振奮的路線圖。Google正在測(cè)試一個(gè)20個(gè)量子位芯片，希望在年底之前有一個(gè)運(yùn)行在49個(gè)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(gè)，不久將達(dá)到2000個(gè)。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(jì)算商業(yè)化。Intel的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)通用的計(jì)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(gè)通用的通用量子計(jì)算機(jī)，而不是一個(gè)量子退火機(jī)。Intel與其他研究團(tuán)隊(duì)的區(qū)別之一就是Intel專注于多個(gè)量子位類型。

第一個(gè)是超導(dǎo)量子位，與Google，IBM以及名為Rigetti Computing正在開(kāi)發(fā)的啟動(dòng)機(jī)構(gòu)類似。同時(shí)，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(lái)的幾個(gè)月內(nèi)會(huì)有相關(guān)報(bào)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(shí)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(duì)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(duì)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(cuò)了。對(duì)于那些看生活系統(tǒng)的人來(lái)說(shuō)，這是完全正確的。Intel專注于使系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，然后將其放大到所有向量上，以構(gòu)建一個(gè)非常強(qiáng)大的量子計(jì)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(jì)算機(jī)。它不僅僅是器件，它會(huì)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(cè)量，從某些角度上來(lái)講，它更像是模擬計(jì)算機(jī)。它的數(shù)字電子設(shè)備就能進(jìn)行錯(cuò)誤校正。因?yàn)榱孔悠骷浅４嗳酰⑶胰菀壮霈F(xiàn)錯(cuò)誤，我們的糾錯(cuò)的程度，直接決定了它們的計(jì)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(xiě)的算法將與傳統(tǒng)數(shù)字編程完全不同。雖然在各個(gè)學(xué)術(shù)界都有研究，作為一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)，我們必須把它們整體作為一臺(tái)電腦。

此外，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，我們希望在任何時(shí)候了解我們?cè)谝粋€(gè)層面上的選擇對(duì)于其余的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)意味著什么。我們知道的是，如果你有一個(gè)充滿這些量子位的盤(pán)，你沒(méi)有一個(gè)量子計(jì)算機(jī)，并且一些最大的擴(kuò)展問(wèn)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(shí)間真的使得不利于我們的研發(fā)。

這類似于沒(méi)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(huì)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(gè)設(shè)備上和多個(gè)設(shè)備之間鏈接量子位?！?/p>

Jim Held進(jìn)一步指出，“互連是量子計(jì)算最核心的事情之一，從一開(kāi)始，我們并沒(méi)有把重點(diǎn)放在一個(gè)近期的里程碑上，而是從互連的角度來(lái)看，從設(shè)計(jì)和控制的角度來(lái)講，要提供一個(gè)大型的通用量子計(jì)算機(jī)。”

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(jì)算提出了一些物理挑戰(zhàn)，超導(dǎo)量子位的問(wèn)題尤其棘手。需要保證量子狀態(tài)在比特級(jí)別能夠同時(shí)處理多個(gè)并行狀態(tài)，同時(shí)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(shuō)：“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(kāi)爾文）。首先，根據(jù)熱膨脹系數(shù)保證在芯片在這個(gè)溫度下不會(huì)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(wú)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(gè)量子位都有兩個(gè)或以上同軸電纜端口控制以及監(jiān)控其狀態(tài)。

Held說(shuō)：“出于商業(yè)化的考慮，我們對(duì)縮放比例的問(wèn)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(lái)得到提升。

上百萬(wàn)量子位轉(zhuǎn)化為數(shù)百萬(wàn)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(jì)算機(jī)的電子器件移至非常冷的環(huán)境中，并不是毫開(kāi)爾文的量級(jí)，而是4開(kāi)爾文的液氫之中。我們?cè)赒uTech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(kāi)爾文的范圍正常工作。通過(guò)將控制電路從量子計(jì)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(zhǎng)度?！?/p>

關(guān)于量子位，疊加允許一個(gè)量子位能夠表示兩種不同的狀態(tài)，量子糾纏（被愛(ài)因斯坦稱之為“遠(yuǎn)距離幽靈行動(dòng)”）允許狀態(tài)隨量子位數(shù)量提升而線性增加。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，n個(gè)量子位對(duì)應(yīng)2n個(gè)狀態(tài)?；ミB線并不是用來(lái)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(cuò)。量子位非常穩(wěn)固，不能被動(dòng)搖，移動(dòng)或失去量子態(tài)。兩年前Google在德國(guó)舉辦的國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)上指出，量子計(jì)算機(jī)最終可能成為傳統(tǒng)并行超級(jí)計(jì)算機(jī)的加速器，用于對(duì)量子位進(jìn)行糾錯(cuò)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(lái)創(chuàng)建狀態(tài)更容易保持的量子計(jì)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(gè)測(cè)試臺(tái)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(jià)值的。 Held和Clarke都認(rèn)為，通用量子計(jì)算機(jī)需要大概八到十年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和運(yùn)營(yíng)。

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

量子計(jì)算機(jī)并不是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗B很多傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)做得很好的事情都不能做。雖然理論上任何量子計(jì)算機(jī)能做數(shù)字計(jì)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(wèn)題預(yù)計(jì)需要花八到十年的時(shí)間才能解決。這些全是工程問(wèn)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。”

Clarke補(bǔ)充指出，量子計(jì)算機(jī)的封裝方面還面臨很多物理問(wèn)題。下一個(gè)目標(biāo)是建立一個(gè)健全的工藝控制這可能需要八至十年的時(shí)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(jì)算機(jī)商業(yè)化，甚至更普遍的應(yīng)用還需要很長(zhǎng)的時(shí)間。Intel正試圖建立一個(gè)小的量子計(jì)算系統(tǒng)，它將向我們介紹量子計(jì)算棧的各個(gè)方面。同時(shí)，Intel正在硬件層面和架構(gòu)控制層面設(shè)計(jì)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(wèn)題，看來(lái)我們可能需要一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)才能弄清我們何時(shí)能夠獲得量子計(jì)算機(jī)了。