[原创] 英特尔的量子计算战略解读

IBM、谷歌和D-Wave往往会登上量子计算领域的头条新闻，但除了今年早些时候Tangle Lake量子芯片发布时的短暂喧嚣外，媒体对于英特尔量子战略的关注往往滞后。

这几乎可以肯定是因为IBM的Q Experience和D-Wave的机器已经立即投入商用，这些机器已经卖给了几家公司和研究实验室。英特尔不太关心如何通过现有的制造能力将量子技术转化为产品，这是有道理的，即便其中一些技术可能在未来十年内发生变化。

虽然Tangle Lake是英特尔对IBM、谷歌、Rigetti，以及其他公司熟悉的gate-model超导电路的回应，但他们实际上正在开发和比较超导电路和自旋量子比特，并将研究重点放在现有器件的高密度控制逻辑问题上。

虽然这个控制问题听起来像是一个次要问题，但所有这些连接的管理都非常复杂，并且限制了如今的早期量子系统的当前量子比特计数和功能的可扩展性。英特尔正致力于设计一种集成电路，这种集成电路可以为量子器件产生信号，并为同一器件上的信号提供更好的性能控制。与标准硅芯片一样，较少的外部量子连接意味着更低的延迟、更强的性能和更好的可扩展性。

英特尔认为，通过将更多的控制电子器件转移到低温设备中，可以显着降低延迟。他们还可以探索更多选择，以减少所有信号进出低温设备的连接问题，目标是更清晰地扩展到更高的量子比特数。英特尔专注于量子计算的新兴技术部门的负责人Jim Held解释说：“从量子比特平面向上和向外发出2~4个不同的信号是不可行的。我们希望生成射频控制，并在低温设备中进行读取传感和放大，以减少电子器件进出低温设备的信号。”

除了潜在的更低的延迟之外，解开控制混乱对于未来的扩展也是至关重要的。这不仅意味着更多的量子比特，而且意味着更稳定的量子比特和更快的控制响应。由于量子系统的计算能力呈指数级增长（增加一个量子比特可以有效地使系统的能力翻倍），所以性能提高了，但是控制复杂性也提高了，因为每个量子比特都是单独控制的。

举个例子，请考虑一下Skylake芯片，它有大约70亿个晶体管，但与外部世界的连接只有大约2000个，大部分是电源和接地。这种多器件、相对较少的控制线模式对硅器件和量子器件都是至关重要的。“认为我们将会得到很多量子比特，并且每个量子比特都有多条控制线的想法是不合理的，它不会那样扩展。因此，最大的挑战是量子比特设计、片上控制和片外控制，以便在互连和连线可控的情况下扩展量子比特数。这是我们的量子计划的一个显著特点。”

英特尔自己的晶体管和制造技术专业知识是另一种量子器件差异化因素，特别是涉及他们围绕硅量子比特（或称自旋量子比特）开发的第二种量子技术时。这与他们在超导方面所做的工作不同（类似于IBM和谷歌在量子方面所做的工作）。自旋量子比特相对较大且易于制造。在最基本的情况下，它们都是基于单个电子，可以根据所有电子的简单量子特性向上或向下旋转。这种类型的量子比特看起来更像是英特尔自己的某个先进技术节点中的晶体管——这为实现量子的制造提供了一条更近的道路。

与其他量子计算方法相比，这听起来可能有点太扎根于真实的芯片世界，但Held表示，量子比特是在量子状态下运行的，这意味着要么使用微波光子，要么使用单个电子。制造这些芯片使用的技术与制造其他英特尔芯片使用的技术相同，也与今年早些时候英特尔在CES上首次亮相的Tangle Lake量子芯片使用的技术相同。这个器件有手掌大小，有49个量子比特和108个外部连接，按照任何标准衡量都算是大型器件。然而，自旋量子比特方法在量子器件的形状因素方面提供了一些有趣的能力。它（字面上）比Tangle Lake小100万倍，如果最终设计并运行成功，就有机会在一个非常小的空间里放置数百万个这样的器件，所有这一切都是利用现有的制造技术。

但是没有必要关注英特尔量子芯片的发展前景。Held表示，这些技术中的任何一种都至少需要8~10年才能推出产品，因为现在的重点更多是在研究问题，以及了解如何在充分利用软件的情况下制造出更好的器件。

Held表示，即使有了量产的量子器件，量子系统仍将是高性能计算（HPC）等领域的协处理器。他还说，包括神经形态计算在内的其他架构选项有望解决现有系统中的其他问题，即内存和数据移动方面的问题。

“架构仍然很重要，行业和工作负载的发展意味着我们正在探索一些架构变化和机会，这些变化和机会可能比已经满足了很长一段时间并且跨越了许多应用的增量方法更不同，对编程方式的影响更大。架构仍然很重要，而且在软件领域比以往更加明显。”

Held表示，英特尔的新兴技术部门除了探索以上所述的这些之外，他们还在解决量子处理器的其他一些特性，这些特性将使它们成为超级计算协处理器。其中包括连接性，连接性是各种量子处理器之间微妙但重要的区别。英特尔目前的量子架构使用最近邻方法（nearest neighbor approach），即一个量子比特阵列，每个量子比特连接到另外四个量子比特，这是纠错的关键。量子计算的圣杯在于这种纠错的概念，因为量子比特会随着时间的推移而消散或失去状态，英特尔的拓扑结构专注于通过四个紧密相连的量子比特的反馈循环来提供这种修正。

此外，正如我们将在一篇关于英特尔量子软件栈的文章中深入讨论的那样，当英特尔实验室把量子理论引入实验时，协同设计是关键。Held表示，构建整个堆栈是指导权衡和指导整体策略的最好方法，而不是只关注硬件。“如果我们把正确的工作、专业知识、模拟，以及其他工具结合在一起，而不是仅仅关注量子谜题的某一部分，我们就能理解选择的含义以及利用这些权衡的机会。”