关于Intel生产量子芯片硅晶圆的性能介绍和应用

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去年，英特尔向量子计算的商业化迈出了一小步，拿出了17个量子位超导芯片，随后CEO Brian Krzanich在CES 2018上展示了一个具有49个量子位的测试芯片。与此前在英特尔的量产努力不同，这批最新的晶圆专注于自旋量子位而非超导量子位。这种二次技术仍然落后于超导量子力度，但可能更容易扩展。

展望未来，英特尔现在每周能够生产多达五片硅晶片，其中包含多达26个量子位的量子芯片。这一成就意味着英特尔大幅增加了现有量子器件的数量，并可望在未来几年稳步增加量子比特数。英特尔量子硬件总监Jim Clarke接受采访时透露，目前用于小规模生产的技术最终可能会扩展到超过1000个量子位。由于温度波动引起的膨胀和收缩限制使得工程师不能简单地扩展芯片上的量子位数。

目前，每个晶圆都由量子点组成，必须仔细切片，以便每个芯片以适当数量的量子位结束。由于缺陷和物理限制，完成的芯片最终可能有3,7,11或26个量子位。无论哪种类型的量子计算占上风，英特尔的目标是构建一个可以扩展超过100万个量子位的架构。这将允许使用相同的基本结构，但改进的量子位Overtime，而不必在每次产生新的量子突破时回到原点。

根据克拉克的说法，“5年内有1000个量子位不是不合理的。”他比较了世界上第一块集成电路和仅含2500个晶体管的英特尔4004处理器之间的时间。在量子技术方面，克拉克认为英特尔可能在10年内达到100万个量子位，但他表示在这方面他可能会有点乐观。

尚待解决的挑战之一是操作量子处理器所需的极端寒冷的温度。由于温度需要尽可能保持接近绝对零度，量子计算机的性能需要远远高于传统硅，以使其具有成本效益。着技术的进步，其实用性将迅速提高。

英特尔量子芯片的里程碑

在今年的CES上，英特尔向研究合作伙伴交付全新研制的49量子位测试芯片“Tangle Lake”，该芯片以美国阿拉斯加的湖泊命名，用来代表量子位运行所需要的极低温度，这一进展也被许多人视作英特尔正接近实现“量子霸权”的目标。

英特尔将超导量子计算测试芯片的量子位从7、17提高到49（从左到右）

“49”是这次英特尔突破性进展里绕不过的数字：“49”距离“量子霸权”仅一步之遥。

“量子霸权”（quantum supremacy）这个术语是由加州理工量子理论学家John Preskill在2012年创造的，指的是当量子计算机发展到50量子位的时候，其计算能力将超过世界上任何计算机，能解决任何计算机解决不了的问题。

英特尔副总裁Michael Mayberry则选择从科学的角度来解释。

《IEEE综览》提到，Mayberry认为，从科学的角度来看50量子位是一个有趣的情况，达到50量子位时，就没有办法完全预测或模拟芯片的量子行为。

IBM则提到，在大约50量子位的情况下，现有计算量子振幅的方法，要么需要太多的计算，要么需要的存储比目前任何超级计算机上可用的还要多。

不过对于任何人而言，想要实现量子计算的商用目标还有很长的路要走。

一方面，量子位十分脆弱，任何噪音或者干扰都可能导致数据丢失。英特尔指出，量子位要在极度低温下运行，约零下273摄氏度。

另一方面，现在49量子位或者50量子位还远远不够。

英特尔预计，未来5到7年的时间内，研究人员能够达到1000量子位系统的目标。1000看似很多，然而许多专家认为，从商业角度来看至少需要达到100万。

英特尔CTO：

量子计算大规模商业化还需十年

作为英特尔的科技创新引擎，英特尔研究院致力于推动影响未来的前瞻性技术研发。

英特尔公司高级副总裁、首席技术官兼英特尔研究院院长Michael Mayberry 在接受媒体采访时强调，量子计算是英特尔非常重视的一个研究领域，英特尔认为量子计算和未来发展方向是相吻合的，所以英特尔在这方面的研究已经做好了准备。

但在问到量子位数量是否越多好的时候，Michael Mayberry表示，人们通常会比较关注于量子位的数量，但是对于每个量子位上面做的操作数量反而关注的不够。比如说有一堆的量子位，每个量子位都要先启动到一个可操作的状态，哪个有生命期，先启动一个或者两个，把它纠缠起来。在启动的过程中，系统还没有完全启动那么多的量子位达到生命期的时候，你可以用了开始启动的那几个（量子位）的时间。所以，最后整个系统的生命期和单个量子位的生命期不是一个指标。

很多IT厂商都在谈论量子计算，但是从实际角度出发，量子计算离我们还很远。Michael Mayberry认为，量子计算真正地实现大规模商业化还需要有十年时间。他形容英特尔在量子计算领域的布局只是马拉松长跑中的第一英里。未来他们还有很多的事情要做：

第一，不管量子位做得有多好，英特尔都认为它还是不足以好到完美，需要有纠错方面的工作，以确保量子位有足够长的生命期，长到它能够完成一些有意义的算法或者说是计算；

第二，需要有在本地对量子位的控制，而不是通过长长的缆线、遥远地加以控制；

第三，是路径安排，怎么能够把这些量子位真正地放到一个物理的量子位系统当中，给它把路由做出来，做一个算法，有时候是直着走，有时候是要跳转着走；

第四，是量子位之间的连接，需要把量子位连接起来，形成一个比较有规模的系统，这也是一个很大的挑战。

谓商业上的有用性，怎么样才叫有用？Michael Mayberry解释道，我们没有广泛的共识，各个公司观点不尽相同，我们都承认，五年之后这个系统可能跑在1000个量子位之上，十年可能达到100万量子位，简单来说100万个量子位肯定是要比1000个或者我们现在能做的50个量子位要有用，但是到底样的什么东西才叫有用，我们很难来解读。

虽说“量子计算能够到处被加以使用”这个目的离我们非常远，但是，可以先把量子计算用来解决常规计算很难以解决的问题。Michael Mayberry举了两个例子：模拟材料、汽车催化剂。