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量子计算机的产业化路程

  • 林育中

Intel去年底发布的Horse Ridge芯片,展示了其在量子计算发展方向与实施策略。Intel

Intel去年底发布了一款芯片Horse Ridge,并于今年ISSCC详细讨论芯片的规格。这是一款以Intel 22nm FFL (FinFET Low power) CMOS制程制作的芯片,用于量子位元的控制。这个芯片的特性充分展示了Intel在量子计算发展方向与实施策略。

这个芯片主要由数码核心、SRAM、类比以及RF线路所构成。其中RF线路是为控制量子位元设计的,频率在2~20 GHz之间。共有4个RF通道,使用分频多重进接(FDMA;Frequency Division Multiplex Access),每个频道可以控制32个量子位元,总共可以控制128个量子位元。控制RF波型的信息则储存在SRAM中,参照查找表(look up table)可以快速处理。

Horse Ridge芯片工作的温度为3oK,虽然还是低温,但是与超导体量子位元所需维持的20mK已有天壤之别:前者低温冷冻柜抽取热量的功率为数W,后者为mW,效率高多了。

从这个芯片的设计可以看出一些Intel在量子计算的用心。它的RF元件工作频率在2~20GHz之间,超导体量子位元的操控频率在6~7GHz之间,而自旋量子点的控制频率为13~20GHz之间,这意味著Horse Ridge适用于至少两种以上的量子点。这不单只是为Intel量子点量子位元技术量身定制设计的芯片,而是志在于通用界面!如果发轫得早、也被认可,就在量子计算机的系统集成中取得一个关键位置。

而且Intel的量子计算机可相互纠缠量子位元数目前只有2个,但是Horse Ridge可控制的量子位元数为128,这是预先部署,对于目前世界上所有量子计算机都够用,至少还留有一年的前置量。

再加上Intel之前在IEDM发表的低温晶圆探测机(cryogenic wafer prober),Intel的策略非常明显—以乡村包围城市。量子位元固然是目前研发的重点,而Intel所研究的量子位元是矽基的,为其所擅长,而且未来在量子位元数的扩充可以藉半导体的微缩技术迅速发展。但目前量子点量子位元发展技术还落后于超导体、离子陷阱等技术,所以先在外围和系统集成下工夫,占位置。那些以铝架支撑的凌乱导线以及离散零件终究要变成芯片上积体线路的。

另外,Intel在开发Horse Rudge芯片时与Qu Tech合作。Qu Tech是一家原先有多种量子点技术的公司,目前专注在超导体量子位元。这说明了即使只是要开发外围线路,对于量子位元的技术不能完全不沾手!

IBM的量子计算机采用超导体量子位元,目前有53个量子位元,是在竞赛的领先群中,所以其产业化的步伐就更快了。除了开放其量子位元数较低的量子计算机供一般大众体验量子计算外,并在全世界广设IBM-Q Hub,供学术或商业使用。其所用的量子计算开源架构Qiskit以及其中的工具也推广、教育给一般大众,这是标凖产业化的前驱动作。

最值得一提的是IBM订了一个quantum volume每年倍增的计划。quantum volume大概是量子位元数乘以在其上可以量子操作的次数(量子位元上的量子态能维持相干的时间有限,所以能在其上执行运算的次数也有限),这是一个意义重大的科技发展路标,听起来像不像摩尔定律?记得当初摩尔定律正是由Intel创办人摩尔提出的经验曲线,因为它成功的同步了半导体市场及外围产业的期望,变成了一个自我实现预言(self-fulfilling prophecy),成就了Intel在半导体业数十年的霸业,而这正是量子计算机领先群中IBM心中的盘算。

Intel与IBM都是产业界的巨擘,也都有在产业界长时间执牛耳的经验,对于怎样在初发的领域中布局乃至于成就都有过丰富的经验,他们的专长也与台湾相似,他们的策略是不是值得借镜?

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。