一种经过特殊设计的控制量子比特的芯片,可以在极低的温度下工作,进一步向解决“布线瓶颈”靠近[1]。

来自QuTech和英特尔的研究人员和工程师联合设计并测试了低温芯片,并向可扩展的量子计算机迈出了重要一步,研究成果发表在《自然》杂志上[2]。

量子计算机的每个基本单元,即量子比特,通常由一根导线单独寻址。首席研究员Lieven Vandersypen表示,这阻碍了可扩展量子计算机的发展,因为数百万量子比特需要数百万条线

该障碍就是上文提到的“布线瓶颈”。在经典计算机中,一个拥有数十亿晶体管的现代处理器只有几千个连接。由于量子比特工作所需的低温环境,而控制量子比特的电子设备在室温下工作,布线问题变得更加严重。

传统的芯片根本无法承受这种极端的温度,因此一种新的低温控制芯片应运而生。

英特尔与QuTech合作开发可编程低温控制芯片,向可扩展量子计算前进-量子客
图1|左边研究人员手拿量子比特, 右边手持Horse Ridge芯片(来源:QuTech)

 

1. 英特尔Horse Ridge

英特尔和QuTech的工程师们设计了一种特殊的硅基集成电路,抵御寒冷 (比绝对零度高3摄氏度的环境) 的同时还可以控制量子比特[3]。

联合首席研究员Edoardo Charbon表示,团队采用了与传统微处理器相同的技术——CMOS技术。而对于Horse Ridge芯片,团队则是采用了英特尔22纳米低功耗FinFET技术

由于电子设备在低温下的运行方式非常不同,所以采用特殊技术来设计芯片。既确保了芯片的正常运行,又高精度地控制了量子比特。

最终,控制芯片和量子比特可以集成在同一个芯片或封装上 (因为它们都是用硅制造的),从而进一步缓解了布线瓶颈。

英特尔与QuTech合作开发可编程低温控制芯片,向可扩展量子计算前进-量子客
图2|Horse Ridge芯片(来源:QuTech)

 

2. 高保真度和良好的可编程性

为了评估低温Horse Ridge控制芯片的质量,研究人员把它与经典的室温控制芯片做对比发现,该系统的门保真度高达99.7%,且限制因素源于量子比特本身,而不是来自Horse Ridge芯片的控制信号。这对低温控制芯片的性能来说是个好消息。

研究人员还使用一个双量子比特的量子算法,展示了低温控制芯片的可编程性。Deutsch–Jozsa算法是最简单的算法之一,在量子计算机上比经典计算机的效率高得多。

这证明了用任意的操作序列对控制芯片进行编程的能力,并为片上实现和真正可扩展的量子计算机开辟了道路。

 

 

参考链接:

[1]https://qutech.nl/2021/05/12/cryo-chip-overcomes-obstacle-to-large-scale-quantum-computers-copy/?cn-reloaded=1

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03469-4

[3]https://qutech.nl/2020/02/19/cryo-chip-overcomes-obstacle-to-large-scale-quantum-computers/

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁 艳