英特尔：如何从“小芯片”布局到通用量子计算机

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一些世界顶级的高性能计算中心正在进行量子计算机测试，他们通过测试不同的系统和方法，寻找最适合其基础设施建设的方法。

围绕量子芯片的大规模生产，一场“争夺”量子优势的战斗正式打响，这很有挑战性，因为量子比特是不稳定的，并且难以扩展到通用量子计算机所需的数百万个量子比特。

但英特尔声称在有限的测试中，解决了其中一些问题。这家芯片制造商在其现有工厂中生产了稳定的量子点，这是该公司构建通用量子计算机的长期目标的一个里程碑。该公司使用一种称为“低温探测器”的测试设备来隔离和研究其晶片上量子点的均匀性。

在此过程中，英特尔声称在制造量子系统方面处于领先地位。分析师表示，英特尔转向采用先进封装进行制造，为构建更复杂的计算系统（如量子设备）提供了一条途径。

英特尔量子硬件总监James Clarke

英特尔量子硬件总监James Clarke 说：“我们正在整个晶圆上制造生产这些优质量子点，产量很高。我们能描述所有特征，以便获得统计数据。在我们的量子社区知识体系中，这是闻所未闻的。”

该公司希望在明年之前向阿贡国家实验室提供早期的量子硬件，该实验室正在测试来自不同供应商的量子硬件，这是美国能源部名为Q-Next的计划一部分。美国政府正在优先制造量子硬件，他们认为这是与中国进行计算霸权竞赛的重要部分，中国也在推进其量子计算发展的雄心壮志。

英特尔的这一里程碑虽然是一小步，但它可以衡量大规模制造量子芯片的产量和可行性。英特尔团队隔离了12个量子点和4个传感器，下一步目标是更大规模地复制。

Clarke说：“这当然是最困难的部分之一，但现在我们必须发展这个设备。让它变得更大，保证量子比特可以同时工作，这是10年旅程的一部分。目前我们进展顺利，我们知道工具箱中有哪些工具。”

在自动化过程中，英特尔低温探测器的图像显示了 1.6 开尔文的量子比特设备，其中量子点可以在所有16个位置（4个传感器和12个量子比特位置）形成，并调谐到最后一个（单个）电子，而无需工程师输入。（图片来源：英特尔公司）

与IBM和谷歌一样，英特尔也在追求一种通用量子计算机，研究人员一致认为这将需要超过一百万个量子比特。谷歌和IBM正在追逐超导量子比特，这在现有工艺上很难制造。英特尔的量子计算系统基于量子点，其芯片可在其现有工厂制造。

Clarke 说：“我们的量子比特看起来很像晶体管。如何从晶体管发展到英特尔自旋量子比特，这很不容易。”

Real World Technologies 的首席分析师大卫·坎特 (David Kanter) 表示，必须大量构建量子比特才能提高量子的相关性，相比其他公司，英特尔对此有着敏锐的理解。

Kanter说：“我认为业内对于正确的量子研究方式并没有达成真正的共识，内部制造有利于研制新设备类型。”

Tirias Research 首席分析师 Kevin Krewell 表示，要获得稳定且容错的逻辑量子比特，将需要成千上万甚至数百万个物理量子比特。要做到这一点，扩展很重要。

半导体研究和咨询公司 SemiAnalysis 的创始人迪伦·帕特尔 (Dylan Patel) 表示：理想情况下，量子比特尽可能相同，300毫米晶圆和更先进的光刻工具具有最佳的叠加能力。其他晶圆厂很难获得最精确的工具，除非他们也拥有先进的逻辑半导体业务。英特尔在量子竞赛中拥有一个优势，他们可以使用最先进的工具更准确地进行模式化，这些工具是为领先的埃米时代半导体设计的。

在量子计算初期，IBM和D-Wave就其量子比特的优越性进行了争论。IBM 认为 D-Wave 的量子退火系统（德国 Jülich 超级计算中心正在使用该系统进行优化）不是真正的量子计算机。D-Wave 的计算机现在被广泛视为一种小型量子计算机，它在优化方面很有效，但不是成熟的量子计算机。

英特尔的Clarke说：“通用量子计算机可以降低优化器的相关性，因为它们可以针对优化、密码学、化学和其他应用程序进行编程。这些量子计算机将成为数据中心的加速器。可能需要在量子计算机旁边有一个合理大小的超级计算机来处理所有信息，增强数据网络。”

关于量子比特的优势，数十家量子计算公司之间的争论仍然存在。尽管现实正给 D-Wave 和 Rigetti 带来压力，他们被 SPAC 公司以高风险、高回报的方式进行收购。D-Wave将金融，汽车和国防公司视为客户，已经从其退火机中获得可观的收入，并且还在研发通用量子计算机。

其他量子初创公司还处于早期阶段。 PsiQuantum将光子学计算视为量子研究的关键部分，并希望建立数据中心大小的量子工厂。IonQ 采用离子阱技术路线，并使用激光来输入和提取数据。微软正将其量子计算研究锁定在一种尚未被发现的粒子上。

阿贡（Argonne ）和其他高性能计算中心认识到，不同类型的量子计算机可以解决不同问题。这些量子计算机将是可以连接具有CPU和GPU的高性能计算机的加速器。排名前3的云提供商亚马逊、微软和谷歌在其服务组合中均会提供量子硬件。

量子计算机商业化之路的关键，是现有工厂具备生产这些设备的能力，以及可广泛使用材料的能力。Rigetti吹捧其实力，使其量子计算机成为交付此类系统的可行途径。英特尔正在转向硅，并表示其工厂为量子计算提供了一条更现实的道路。

Clarke说：“这些设备的性能看起来不错。我们能获得整个晶圆的统计数据，从而实现控制整个统计过程，因此我们可以就如何改进这一过程做出最佳决策。因为可以扫描整个晶圆，所以我们可以选择最好的晶圆在毫开尔文温度下进行研究。”

英特尔将公司的未来押注于制造业，并为客户提供个性化芯片。英特尔实行“小芯片”的策略是：将芯片模块化分解，客户能够使用他们选择的CPU、加速器和互连，在封装中构建芯片。英特尔正在实施新的晶体管和封装技术，预计在2025年之前将4个新节点投入生产。

Clark说：“实现大型计算机的最快方法，是在过去10年中开发出微电子和计算技术，那就是晶体管，这是我们在英特尔正在做的事情。我们认为其他技术不会更快、更大规模地出现。量子计算芯片也将受益于小芯片战略和新的封装技术。控制技术和量子比特芯片之间需要有一定程度的协同集成，这是我们工具箱中的一个工具，我们正处于早期研发阶段。”

量子芯片是在俄勒冈州波特兰的一家工厂生产的，该工厂使用了多种工艺。

Clarke说：“我们使用类似于18A的工艺，流程较为精简，还利用了EUV光刻技术，以及与最新最先进工艺相同的工厂和工具。”

Real World Technologies 的 Kanter 说：“好的包装可以组装更复杂的系统。最终，量子计算机很可能需要与经典计算机一起部署，类似于CPU与GPU结合使用的方式。”

最近几个月，英伟达推出了QODA软件包，为没有硬件的研究人员模拟量子处理器。英特尔上个月发布了Quantum SDK，这是一个基于软件系统的完整量子计算机的外观表达。SDK包括编译器和其他工具，开发人员可以编写针对量子芯片优化的代码。IBM拥有自己的 QISKIT 量子开发工具包。

Clarke说，英特尔的最终目标是让开发人员掌握硬件，尽管这可能需要很多年的时间。

目前尚不清楚英特尔是否会通过云服务提供量子工具包和先进技术，英特尔云服务于上个月在英特尔创新展上宣布，云服务提供对尚未发布的芯片的远程访问，例如 Sapphire Rapids 服务器芯片和 Gaudi 2 AI 芯片。

Clarke说：“接下来我们将发布实际量子比特设计及功能模拟器，这是一种紧凑模型。最后，当我们有了实际的硬件才是一种进步。”

文章参考链接：

https://www.hpcwire.com/2022/10/11/intels-road-to-a-universal-quantum-computer-is-via-chiplets/

编译：卉可

编辑：慕一