英特爾研究院聯合QuTech（由荷蘭代爾夫特理工大學與荷蘭國家應用科學院聯合創立），在舊金山舉辦的2020年國際固態電路會議（ISSCC）上發布了一份研究報告，概述了其全新低溫量子控制芯片Horse Ridge的關鍵技術特點。該報告揭示了Horse Ridge的關鍵技術能力，這些能力為強大量子系統的構建解決了一系列重大挑戰，使該系統能夠體現量子實用性：可擴展性、靈活性和保真度。

英特爾研究院首席工程師Stefano Pellerano手持Horse Ridge芯片。新款的低溫控制芯片將加快全堆棧量子計算系統的發展，在商業上可行的量子計算機發展進程中，這是一個重要里程碑。（圖片來源：Walden Kirsch/英特爾公司）

英特爾研究院量子硬件總監Jim Clarke表示：“如今，量子研究人員只用到少量的量子位，他們使用的是規模較小、定制化的系統，有著復雜的控制和互連機制。英特爾的Horse Ridge大大降低了這種復雜性。為了實現量子實用性需要數千個量子位，而通過系統性地將規模擴展至數千個量子位，我們正繼續穩步推進，讓商業上可行的量子計算在未來成為現實。”

落實量子實用性是一場漫長的馬拉松，而量子研究界目前才剛剛跑完這場馬拉松的頭一公里。要想將量子計算應用于實際問題，就必須能擴展到數千個量子位，同時還要控制這些量子位，并保證高保真度。Horse Ridge使用高度集成的片上系統（SoC）來加快設置速度，極大地簡化了當前運行量子系統所需的復雜控制電子設備，并改進了量子位性能，同時還使系統能夠高效擴展到量子計算所需的更多量子位，以便解決實際存在的現實應用問題。

研究報告中包括的關鍵技術細節：

可擴展性：采用英特爾22nm FFL（FinFET低功耗）CMOS技術部署的集成式SoC設計，將4個射頻（RF）頻道集成到一個設備之中。利用“頻率復用”技術，每一個頻道可以控制多達32個量子位。該技術將多路基帶信號調制到一系列不重疊的頻帶上，每個頻帶用來傳送單獨的信號。

利用這4個頻道，Horse Ridge可望通過單個設備控制多達128個量子位，與以往相比能顯著減少所需的電纜和機架儀表數量。

保真度：量子位數量的增加會其他問題，對量子系統容量和運行提出挑戰。這方面的潛在影響之一就是量子位保真度和性能的下降。在開發Horse Ridge的過程中，英特爾優化了頻率復用技術，該技術可以支持系統擴展，并減少“相移”錯誤。相移是指在不同頻率控制多個量子位時出現的一種現象，會導致量子位之間的串擾。

Horse Ridge使用的多個頻率可以高精度“調諧”，使量子系統在用同一射頻線路控制多個量子位時，能夠適應并自動校正相移，提高量子門保真度。

靈活性：Horse Ridge可以覆蓋很寬的頻率范圍，能夠控制超導量子位（稱為傳輸子）和自旋量子位。傳輸子的頻率通常在6千兆赫（GHz）至7千兆赫左右，而自旋量子位頻率則為13千兆赫至20千兆赫左右。

英特爾正在研究硅自旋量子位，這種量子位有可能在高達1開爾文的溫度下工作。有了這項研究奠定的基礎，英特爾有望成功集成硅自旋量子位器件和Horse Ridge的低溫控制器，從而創建一種解決方案，將量子位和控制器件集成到一個精簡封裝中。

英特爾參加ISSCC大會的日程安排： 在2月18日星期二太平洋時間13:30 的ISSCC第19場分會上，英特爾和QuTech將通過一篇研究報告展示他們的合作研究成果，該報告題為“用于量子計算機22nm FinFET技術中4×32頻率復用自旋量子位/傳輸子的可擴展Cryo-CMOS 2-to-20GHz數字密集型控制器”。

英特爾Horse Ridge出擊 解決影響量子可擴展性的關鍵障礙

英特爾研究院一直在與QuTech聯手推進量子硬件和軟件生態系統的研究，力圖在未來實現量子計算機的商業應用。而整個行業在商業規模量子計算領域所面臨挑戰中，互連和控制電子設備是其中主要瓶頸。

構建容錯型商業規模量子計算機，需要一個同時適用于量子位和控制電子設備的可擴展架構。Horse Ridge是一款高度集成的片上系統（SoC），提供了一個巧妙的解決方案來實現對多個量子位的高保真度控制，這是通往量子實用性的一個重要里程碑。

Horse Ridge特性

Horse Ridge是一款高度集成、混合信號的低溫片上系統（SoC），硅片面積為4 x 4 mm2，采用英特爾22nm FFL （FinFET低功耗）CMOS技術。Horse Ridge將靜態隨機存取存儲器（SRAM）、數字核心和模擬/射頻（RF）電路集成到單個封裝中，用微波脈沖操縱量子系統中量子位的狀態。

集成式高速數模轉換器和寬帶上變頻器，頻率在2-20千兆赫（Ghz）之間。

脈沖整形的幅度和相位調制信息（18Gb/s）存儲在片上SRAM中，支持最高41μs的包絡，該包絡由查找表（LUT）提供信息，該表可為每個量子位定義8條指令。

利用LUT降低了控制器所需的數據速率，通過在外部觸發器上執行集成可編程指令集，在指令之間延遲最小的情況下，數據速率進一步降低到約1kb/s。

Horse Ridge在同一個設備中有4個射頻（RF）頻道，并利用頻率復用控制多達128個量子位。每一個射頻頻道均使用直接數字合成，帶有32個數控振蕩器，以200 Hz的高精度產生32個復用量子位頻率。

Horse Ridge關鍵優勢

縮小了運行量子系統所需的外形尺寸（芯片和PCB大?。┎p少了所需的功率。

能夠擴展和控制更多的量子位（多達128個量子位）

Horse Ridge高度靈活的脈沖控制能力降低了量子位之間的串擾，并提高了整體量子門保真度。

該芯片可以自動校正相移（使用同一射頻線路控制不同頻率的多個量子位時會發生這一現象），并在每次控制電子器件脈沖后更新數字代碼。