英特爾實驗室(Intel Labs)與荷蘭台夫特理工大學(TU Delft)和荷蘭應用科學研究組織(Netherlands Organization for Applied Scientific Research,TNO)所共同成立的研究機構QuTech合作,於舊金山舉行的2020年國際固態電路研討會(International Solid-State Circuits Conference,ISSCC)發表的研究論文中概述了其新型低溫量子控制晶片Horse Ridge的關鍵技術特性。這篇論文公布Horse Ridge的關鍵技術功能,這些功能解決了建構出足以展示量子實用性(quantum practicality,即可擴展性、彈性和保真度)的量子系統時的基本挑戰。

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。Horse Ridge透過使用高度整合式系統單晶片(SoC)大幅簡化現今運作這類量子系統所需的複雜控制電子設備,以縮短設置時間、改善量子位元效能,並有效地擴展到量子運算解決實際應用所需的更多量子位元數量 。

研究論文中提及的關鍵技術細節包括:

·可擴展性:採用英特爾22奈米FFL(FinFET低功耗)CMOS技術實現的整合式系統單晶片設計,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劃分為一系列不重疊的頻帶,每個頻帶均用於承載獨立的訊號。

Horse Ridge利用這四個通道,可透過單一裝置控制多達128 個量子位元,從而大幅減少了先前所需的電纜和機架儀器的數量。

·保真度:量子位元數的增加會引發其他挑戰量子系統容量和運行的問題,其潛在影響之一是量子位元保真度和效能的下降。在開發Horse Ridge時,英特爾將多工(multiplexing)技術最佳化,使系統能夠擴大規模並減少「相位偏移(phase shift)」所帶來的誤差。這種現象在以不同的頻率控制許多量子位元時會發生,從而導致量子位元之間的串擾(crosstalk)。

Horse Ridge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。

·彈性:Horse Ridge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)。Transmon通常在6~7GHz左右的頻率下運行,而自旋量子位元則在13~20GHz的頻率下運行。

英特爾正在研究矽(silicon)自旋量子位元,其有可能在高達1克耳文(kelvin,K)的溫度下工作。這項研究為整合矽自旋量子位元裝置和Horse Ridge的低溫控件奠定基礎,以建置可在一個精簡封裝中提供量子位元和控制元件的解決方案。