英特尔发布12Q CMOS量子芯片

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光子盒研究院

今天，英特尔公司发布了一种在主流CMOS工艺技术上构建的具有12个量子比特的量子芯片——Tunnel Falls。

Tunnel Falls测试芯片栖息在指尖上

Tunnel Falls量子芯片由12个量子点（或单电子晶体管）构建，可配置4至12个基于自旋的量子比特。其目的是让研究实验室用不同的拓扑结构来构建更大的系统——特别是测试量子比特的纠错方案。

与大多数对手不同的是，英特尔用计算机芯片中的单个电子制造其量子比特——这些芯片与那些为数百万台个人电脑提供动力的芯片是同族关系。其实，在量子计算领域，英特尔正处于落后状态：IBM、谷歌、Quantinuum和IonQ等竞争对手多年来一直在提供量子计算机，但英特尔认为，将这一技术发展与传统的芯片技术捆绑在一起，最终将实现更快的进步。

英特尔实验室的量子计算硬件主管Jim Clarke曾在采访中表示：“对我来说，使用已经开发的工具而不是必须开发新的工具，这是很自然的。”

英特尔在俄勒冈州的D1工厂（可能成为世界上最大的半导体工厂园区）制造自己的量子计算芯片。

此外，英特尔已经开发出一种低温探测仪，能够在1.6K（开尔文）温度下测试晶圆，这是略高于芯片运行所需的近零开尔文温度。据该公司称，测试一块晶圆需要大约24小时——包括冷却和探测时间。这在半导体加工方面是非常缓慢的，但对于一项新的和具有挑战性的技术来说，这代表着巨大的成就。此外，英特尔表示，就运行中的量子比特芯片而言，它在晶圆上实现了约95%的良率——对于这样一种具有极端操作参数的新工艺技术来说，这是一个惊人的产量。

量子计算的一个显著特点是方法的巨大多样性。英特尔公司正在使用电子、结合一种叫做“自旋（类似于陀螺可以旋转的两个方向）”的量子力学特性来存储数据。

在量子计算的竞赛中，IBM和谷歌正在使用超导材料的小电路、IonQ和Quantinuum正操纵储存在“陷阱”中的带电原子，其他方法涉及中性原子、甚至是最短暂的粒子——光子。

量子计算先驱、麻省理工学院研究员Seth Lloyd在早些时候的采访中说，在足够小的范围内，量子力学主宰着物理学，任何东西都可以成为一个量子比特。“那么问题来了，你是否能以正确的方式按摩它们、说服它们进行计算。”

换句话说，量子计算不像传统计算机芯片市场那样是一场赛马：它更像是一匹马与猎鹰、摩托车和奥林匹克短跑运动员的对决。

英特尔则选择了它自己的方法。Clarke说，Tunnel Falls今天正在生产，但该公司很快就会“带出”其继任者：这意味着设计已经完成，公司已经开始设计之后的型号。12个量子比特只是有用的量子计算机所需的一小部分，但英特尔开始采用一种简单的方法，旨在快速改进、并在多年内持续进步，以制造量子计算机。

Clarke说：“下一个重要的里程碑是当我们拥有几千个量子比特时，这个数量将让量子计算机工程师纠正困扰量子比特操作的频繁错误：那可能是三、四年后，也许是五年后。而我们拥有将改变世界的一百万量子比特，可能是2030年代初或2030年代中期。”

英特尔正在设计的不仅仅是QPU，还有将每个量子比特与外部世界联系起来的关键数据链。今天的量子计算机通常看起来像高科技的“吊灯”，闪闪发光的金属通信管道向处理器延伸，但这种笨重的设计无法满足数千或数百万个量子比特的需求，英特尔认为其控制芯片和芯片互连技术将成为整个系统的必要组成部分。

不过，英特尔也面临着一些质疑。

它最大的竞争对手之一——IBM，已经为研究和商业用途提供了多个127量子比特的量子计算机，并有一个正在运行的、433量子比特的机器。

IBM量子计算硬件工作的领导者Jerry Chow则表示：“我们有一个计划，利用超导量子比特将其扩展到数十万个量子比特。IBM正在开发的量子计算机芯片有很多代号——Egret、Heron、Condor、Crossbill，它们都可以用来验证新技术，以减少错误并改善量子比特之间的连接。

IBM的芯片将超越1000个量子比特。

而且，IBM正在取得惊人的进展。本周三，它在《自然》杂志的封面上获得了一个令人羡慕的位置，因为研究表明其127个量子比特的Eagle量子计算芯片在模拟产生磁力等效应的材料物理方面超过了传统机器。

Clarke则并没有感到太大压力，他表示，英特尔曾尝试过超导量子比特的方法，但遭到失败。它的自旋量子比特比超导电路小一百万倍——这使得该公司在通过其芯片制造厂（称为晶圆厂）的每块300毫米硅晶圆上装下25000个量子比特。

——当英特尔发现制造量子芯片有问题时，它就会想办法让量子比特适应传统的芯片制造，而不是反过来。

这样的论点并没有说服其他人。谷歌仍然坚持使用超导量子比特。

“超导量子比特在关键指标上领先。我们相信它们是未来量子超级计算机的领先技术。”谷歌在一份声明中指出，它们的处理速度和在纠错方面的进展使计算保持在更长时间的轨道上。“我们看到了一条清晰的道路，可以将我们的技术扩展到大规模、纠错的通用机器。”

而IonQ首席执行官Peter Chapman则认为英特尔的方法对于实用的大规模量子计算机来说太不灵活了。他的公司正在开发离子阱机器：将带电原子推来推去，让不同的量子比特相互作用进行计算。他认为，将量子比特固定在芯片的表面会使计算大大复杂化。“过去在计算中起作用的东西——基于硅的处理器，并不是量子时代的正确解决方案。”

关于最佳方法的深刻分歧也许将随着机器的发展和规模的扩大而得到解决。英特尔的计划依靠其制造优势，利用其制造复杂电子设备的经验来发展量子计算。

英特尔也表示，自己正在开发基于Tunnel Falls的下一代量子芯片，估计会有更多的量子比特，预计将在2024年发布。长远来看，英特尔希望能够提供一个完整的量子系统，而不仅仅是量子芯片。

[1]https://www.eenewseurope.com/en/intel-shows-mass-produced-12qbit-cmos-quantum-chip/

[2]https://www.cnet.com/tech/computing/intel-enters-the-quantum-computing-horse-race-with-12-qubit-chip/

[3]https://www.forbes.com/sites/tiriasresearch/2023/06/15/intel-tunnel-falls-into-quantum-computing/?sh=6dcd09607bbd

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