英特尔量子硬件总监Jim Clarke介绍了该公司的两种量子计算技术。

尽管起步较晚,但在量子计算这场竞赛中,英特尔正在沿着一条相对较平坦的技术路径快速前进。该公司的量子硬件总监Jim Clarke在5月9日接受IEEE Spectrum采访。采访当天,他带了英特尔正在研发的来那种量子计算技术的样品,打算用它们来解释为什么芯片制造厂能对呈指数倍增长的超快计算做出独特贡献。第一个是Tangle Lake,英特尔的首席执行官Brian Krzanich曾在1月的CES大会上公开展示过,该芯片包含49个超导量子比特。另一种芯片此前尚未公开展示:全硅晶圆的测试芯片,每个包含多达26个量子比特,这些量子比特的形成是基于自旋的单个电子。第一批晶圆已送达荷兰代尔夫特理工大学进行测试。Clarke团队每周可以制造5个这样的晶圆,这意味着英特尔现在可能已经制造出了量子比特数目最多的“设备”。

QC观察丨英特尔开辟量子计算研究新路径(上,下)-量子客

IEEE Spectrum: Tangle Lake有什么特别之处?

Jim Clarke:对于这些系统来说最重要的是包装。通常,我们的计算机都是在室温下运行,不管是放在我们的背包中或是拿在手上,它们都可以正常运行。但超导量子系统不行,它们现在必须在接近绝对零度的环境中才能正常运行。所以这些人开发了一个能承受绝对零度低温的包装,并且该包装可以屏蔽外界信号干扰。

IEEE Spectrum:使用Tangle Lake技术的量子比特密度有限制吗?这些插销(pinouts)看起来很大。

Jim Clarke:我想这已经是英特尔所做过的最大的芯片(印刷电路板)附属物了。由于存在热膨胀系数和收缩率,即便只是比这个芯片大一点点所造成的影响也是非常严重的。不仅如此,正如你所看到的,实际的连接器的占地面积非常大,这些都是很重要的因素。我们可以用这个技术来扩大规模(每个芯片包含更多的量子比特),但也大不了太多。所以,我们要做的是使量子比特更小,连接器更小。因此,在相同大小的芯片中,我们可以通过上述几个因素来增加量子比特的数量。但是很难用这样的技术将芯片规模扩大到可容纳数百万个量子比特,而只有这样大规模的芯片才可以让我们用量子计算做一些真正改变生活的事情。QC观察丨英特尔开辟量子计算研究新路径(上,下)-量子客

IEEE Spectrum: 那么你如何获得数百万个量子比特呢?

Jim Clarke:使用这种技术,我们最多能获得1000个量子比特。除此之外,我们必须有创新性。这就是我们研究多量子比特技术的原因之一。去年秋天我们发表讲话时,几乎只谈论了超导芯片,但实际上我们正在研究两项技术。不过相比之下,超导技术要更成熟一些。这两种技术都各有优缺点。例如,另一种硅自旋量子比特的大小比超导量子比特小一百万倍,这是它的一大好处。

IEEE Spectrum: 硅自旋量子比特如何工作?

Jim Clarke:传统的晶体管中流过的电流是稳定的。我们所拥有的是一个被困在晶体管中的单电子。单电子可以有两种状态:自旋向上或自旋向下。这就是量子比特的两种状态。因此,我们正在做的是研制一系列单电子晶体管,并用我们先进的晶体管工艺技术将它们耦合在一起。

我们的技术理念是,使用英特尔最好的晶体管工艺技术制造出最佳的自旋量子比特。这就是我们研究这种技术的原因之一。

IEEE Spectrum: 那么这个晶圆上有多少个量子比特?

Jim Clarke:正如传统的晶圆可以被切割成多个芯片,每个芯片有3、7、11个或26个量子比特。我们研制的晶圆也有成千上万个小的子阵列。因此,用这种晶圆,我们制造出的量子比特很可能比以前在大学得到的更多。

IEEE Spectrum: 你们的自旋量子比特技术比超量子比特技术落后多远?

Jim Clarke:如果超导量子比特社区的芯片包含的量子比特数量是10 到 50个,那么自旋量子比特社区就只有几个量子比特的数量级。近几年内,它还远远不能达到成熟阶段。从本质上说,在这个空间中缺少的是像英特尔这样的大的半导体公司进行过程控制。这就是我们现在面临的问题。

近期,我们打算用这些自旋量子比特芯片研制量子比特。现在,它们已经被用来做成了线性阵列,我们也称之为“量子点”。我们正试图从根本上证明研制更大的设备的可能性。与超导量子比特相比:超导量子量子比特的研究仍然在不断向前推进,它们现在正处于刚开始进行系统集成的重要阶段。Tangle Lake量子处理器的大小足以让我们用所有的连接器把它包围起来。我们正在用Tangle Lake开发一种量子版本的“因特尔建筑”。在某种程度上,我们希望能够将不同类型的量子比特换到整个结构中。我们正在努力构建一个可扩展的量子系统。不管它有50个量子比特还是100万个量子比特,它都可以顺利运行。我们想实现这一目标:如果我明天研发出一种新的量子比特,他们现有的系统也能容纳。

IEEE Spectrum: 所以在每个量子比特技术中建立的应用程序不会有差异吗?

Jim Clarke:我们希望不会。实际上,我们所做的是通过研制两种技术来做两手准备。一旦某一种技术到达了某些重要技术里程碑,例如,多比特操作或纠错,那么我们可能会重点研发这种技术。

IEEE Spectrum: 在这一点上可以有软件开发吗?

Jim Clarke:我们研发的模拟器已经问世好几年了,它被称为英特尔量子模拟器。去年我们就已经把它公布在英特尔的开源软件网站上了。

有趣的是,在你的笔记本电脑上,你可以模拟大约30个量子比特。但是由于量子计算在运行时是指数型的,所以你大约需要一台可以模拟40个量子比特的超级计算机。

通常,我们要做的是让我们的算法开发人员拿出一个算法,然后在模拟器上进行测试,随后向硬件团队提供反馈,或者在早期硬件上进行测试。所以它基本上是一个反馈回路。

现在有很多的学习只是通过模拟器。一旦达到一定的大小——例如无法模拟49量子比特,那么你就只能寻找其他方法来验证你的算法。

IEEE Spectrum: 需要多长时间才能实现1000量子比特系统?

Jim Clarke:回顾历史,我们可以发现第一个晶体管诞生和第一个集成电路问世之间大约隔了10年时间,第一个集成电路问世和英特尔4004微处理器的出现之间大约又隔了10年,而特尔4004微处理器只有2500个晶体管。所以,如果把现在放到对应那个时间线的位置,大约应该是在20世纪60年代初,所以预测在5年内有1000个量子比特是不合理的。这将是一个非常引人注目的成就。
我认为可能还需要接近10年或更长的时间才会出现100万个量子比特,并且将对社会产生深远影响。我们希望,一旦实现了1000量子比特系统,再扩大到1000,000量子比特系统就不会有实现1000量子比特系统的1000倍那么难了。但这仍有待观察,在这一点上这可能是一个乐观的愿望。

IEEE Spectrum: 未来的量子计算机有可能需要连接不同的芯片并在它们之间传递量子信息吗?

Jim Clarke:我们在荷兰的学术伙伴正在研究:如果在硅芯片的一部分上有一组自旋量子比特,能否用它们去影响另一部分中的量子比特吗?这种研究的意义何在?如果量子比特之间有足够的空间,我们就可以进行局部电子控制——进而研发具有更高集成度的计算机芯片。

你看到的 Tangle Lake基本上就是量子比特。它没有电子控制设备。其外部是一个冰箱(超导量子比特仅在大稀释冰箱内的毫开尔文温度环境下工作)。利用自旋量子比特有机会使这些控制电子更接近实际量子比特。把控制电子产品放在冰箱里有很多好处。英特尔正在致力于低温控制芯片研究,这些芯片已经被优化为低温操作,并与这些特定芯片兼容。我想今年晚些时候你就可以看到一部分样品了。

IEEE Spectrum: 为什么在自旋量子比特芯片中集成控制电子器件比在超导量子比特芯片中集成更容易?

Jim Clarke:有几个原因。其中一个主要原因是我们认为这些量子比特可以在较高温度下工作。我所说的更高的温度并不是指绝对零度以上的一百分之一的情况,而是更接近绝对零度以上1度。这听起来不是很多,但是从折射的观点来看,冷却能力却可以增加一个数量级。这意味着你可以有一些本地电子设备——会消耗能量的电子设备,并且同时还能保证量子比特能在足够冷的环境下运行。

IEEE Spectrum: 这些巨大的冰箱不会使量子计算耗能过多吗?

Jim Clarke:这个问题,我被问过很多次。因为数据中心最关心的就是能源效率。这也是他们把机构设置在偏远地方的主要原因,因为那里的土地很便宜,通常他们会选择一个邻近河流的地方,比如俄勒冈州的哥伦比亚河。我们的解释是:我们从未承诺过我们的装置是节能的。但是如果我去一个数据中心并告诉他们“你需要一两个这样的装置,它们并不节能,但是它们的计算能力上是呈指数倍增长的,这意味着比其他系统强大数十万倍。”这个时候你真正关心的就不是能耗了。如果功率效率是按每一个能量计算的,我们的设备消耗的能量可能会多一点,但是我们的计算能力将增加好几个数量级。

IEEE Spectrum: 你们生产了多少硅自旋量子比特晶圆?

Jim Clarke:我们每周大概能生产5片晶圆。第一批样品今天已经送达代尔夫特。与我们的晶体管项目相比,这个生产速率其实是微不足道的。即使在晶体管开发过程中,我们也能生产成百上千个晶圆。但是,5个这样的晶圆就已经可以制造出比当今量子计算领域更多的设备了。

IEEE Spectrum:据您预测,量子计算机最有趣的短期应用是什么?

Jim Clarke:我们将看到量子计算的第一类应用是优化算法,其实优化算法现在已经被广泛使用了,但一般人可能还是不太了解。我认为,这些优化问题在化学、生物学、金融领域以及数学系统中无处不在。我对这一领域也不算太了解,这方面我还需要多加学习。

人们刚刚开始用量子计算研究化学和材料(我的专业是化学)。如果你能更好地理解一种分子,或者比以前更了解它,那么就打开了一个化学、药物和材料的新领域,可能会更快地影响我们的生活。这一应用领域肯定会先于密码应用领域。

IEEE Spectrum:您认为关于量子计算应用会扩展到哪些方面呢?

Jim Clarke:我们现在正在做的包括使用量子计算研究矩阵倒置(matrix inversion)、密码学、非结构化搜索等。可能还有一些应用尚未开发。回顾70年代的CRAY 1超级计算机,当时为了得到第一台超级计算机,各个国家实验室代表争得面红耳赤。然而40年过去了,我们现在仍然很难相信放在后兜里的电子设备能做的事情比CRAY 1多得多。所以,量子计算机研发之路还很漫长,我很难预测。但有一点是肯定的:如果只要有人继续开发更强大的计算能力,总有人会找到一种使用它的方法。这是肯定的。

IEEE Spectrum:哪些重要的量子计算里程碑值得期待?

Jim Clarke:有几个。首先,量子比特的质量必须足够好,才能让每次操作时都不会出错,我们称之为保真度。第二,你需要证明纠错。这些量子比特不会持续很长时间,所以需要大量的冗余量子比特来纠正错误。目前,还没有人证明纠错需要被证明。第三,控制电子技术。为了在低温下操作这些东西而没有太多的延迟,那么速度一定要快。这仍然是一个发展中的领域。

最让我担心的是互联技术——量子比特之间的布线。听起来很简单。举个例子:Tangle Lake有108个RF连接器连通外界,然而它只有49个量子比特。我们的服务器芯片有70亿个晶体管,但只有2000个引脚可以连通外界,其中大部分是电源和接地引脚。我们的记忆芯片,如Optane,可以有一个万亿字节的内存,但不到100个引脚可以连通外界。我认为从长远来看,导线比量子比特的数目更多是不合理的。

IEEE Spectrum:您有办法解决互连问题吗?

Jim Clarke:我们有一些想法,但我现在还不能告诉你们,因为还有一些基本的物理问题需要证明。有人说,这只是一个工程问题,这是错误的。现在,仍然有许多基本的科学问题需要研究。但这绝对令人兴奋。

我出生于1972年,这时候登月项目已经进入了尾声。我们正在进行的这场量子计算研发竞赛与太空竞赛有许多相似之处。我们最终试图从根本上改变未来100年的计算形式。这就是为什么很多竞争者都参与量子计算研究的原因。他们也有同样的感受。

IEEE Spectrum:这真的是一场比赛吗?抑或只是一种“涨潮升船”的现象?

Jim Clarke:2015年,我们宣布与代尔夫特理工大学展开合作时,我们的假设是没有一个技术可以由一个机构单独完成,因此确实需要合作伙伴。对我们来说,该项目是与大学合作携手合作设计这些东西。也就是说,你今天看到的是大学和公司各自在进行研究,因为他们认为技术正在比实际成熟得更快。我不知道在这样一个更加协作的环境,是否会阻碍我们的研发速度。

我们曾尝试与多所大学合作。如果其他行业合作伙伴愿意协同运作,我们愿意与之建立商业伙伴关系。

IEEE Spectrum:假设到了2050年,哪个技术更重要,人工智能还是量子计算?是的,答案应该是“两者兼而有之”,但如果你不得不二择其一,那会选哪一个呢?

Jim Clarke:我保留进一步思考这个问题的权利,但我的观点是:量子计算现在的应用空间有限。也许量子计算将来会比人工智能更重要。因此,就通用性而言,“获胜者”可能是人工智能。但是如果你找到大量可以在量子计算机上运行得更快的应用,那么没有什么能超过量子计算机。绝对没有。因此,如果量子计算机有可能帮助,比如说,找到治疗癌症的方法,那么它将处于领先地位。

 

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  李艳虹 
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