英特爾Horse Ridge突破量子可擴展性的主要障礙
前言：
於ISSCC 2020公布研究論文
介紹專為可擴展性、彈性和保真度所設計的量子控制晶片功能
英特爾實驗室(Intel Labs)透過與QuTech的合作關係，持續推動對量子硬體和軟體生態系統的研究，使量子電腦未來在商業上有可行性。而對於整個產業之商業規模量子計算而言，互連和控制電子設備為主要的瓶頸。
為了建立可容錯的商用規模量子電腦，需要量子位元(qubit)和控制電子設備的可擴展架構。Horse Ridge是一款高度整合的系統單晶片(SoC)，提供巧妙的解決方案，能夠在高保真度之下控制多個量子位元，達成量子實用性的重要里程碑。
Horse Ridge 特點
• Horse Ridge是一款建構於4 x 4 mm2晶片的高度整合混合信號低溫系統單晶片，採用英特爾22nm FFL(FinFET Low Power) CMOS技術。其將SRAM，數位內核和類比/ 射頻電路整合在單一封裝中，以利用微波脈衝來操縱量子系統中量子位元的狀態。
• Horse Ridge是一款建構於4 x 4 mm2晶片的高度整合混合信號低溫系統單晶片，採用英特爾22nm FFL(FinFET Low Power) CMOS技術。其將SRAM，數位內核和類比/ 射頻電路整合在單一封裝中，以利用微波脈衝來操縱量子系統中量子位元的狀態。
• 整合式高速數位類比轉換器和2至20Ghz的寬頻升頻轉換器(up-converter)。
• 用於脈波成形(18Gb/s)的幅度和相位調節資訊儲存在晶片上的SRAM當中，允許高達41μs的包絡(envelope)，該包絡可透過查找表(look-up table，LUT)引用，每個查找表可為每個量子位元定義8條指令。
o 利用查找表降低了控制器所需的資料速率，透過在外部觸發器上執行整合式可程式化指令集，指令之間的延遲能夠降至最低，使得該速率進一步降低至〜1Kb / s。
• Horse Ridge在單一裝置中具有四個射頻(RF)通道，並利用分頻多工(frequency multiplexing)的方式來控制多達128個量子位元。每個RF通道透過直接數位合成的方式，使用32個數控振盪器以產生200 Hz高精度的32個多工量子位元頻率。
主要優勢
• 縮減運行量子系統所需的空間(晶片和PCB尺寸)和功耗。
• 可擴展和控制更多量子位元(最多128量子位元)的能力。
• Horse Ridge晶片可產生高度彈性的控制脈衝，可降低量子位元之間的串擾(crosstalk)，以提升整體量子閘(gate)的保真度。
• 該設備可以透過在控制電子裝置發出每個脈衝後更新數字代碼的方式，來自動校正相位偏移(phase shift)。相位偏移發生在使用同一個射頻頻率時，以不同頻率控制多個量子位元時的現象。
• 縮減運行量子系統所需的空間(晶片和PCB尺寸)和功耗。
• 可擴展和控制更多量子位元(最多128量子位元)的能力。
• Horse Ridge晶片可產生高度彈性的控制脈衝，可降低量子位元之間的串擾(crosstalk)，以提升整體量子閘(gate)的保真度。
• 該設備可以透過在控制電子裝置發出每個脈衝後更新數字代碼的方式，來自動校正相位偏移(phase shift)。相位偏移發生在使用同一個射頻頻率時，以不同頻率控制多個量子位元時的現象。
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ISSCC ‘20 |
ISSCC ‘19 |
RSI ‘17 |
Spin qubit setup |
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Operating Temperature |
3K |
3K |
300 K |
300 K |
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Qubit platform |
Spin qubits + transmons |
Transmons |
Transmons |
Spin qubits |
|
Qubit frequency |
2-20 gHz |
4-8 gHz |
|
< 20 gHz |
|
Channels |
128 (32 per TX) |
1 |
4 |
1 |
|
FDMA |
Yes, SSB |
No |
Yes, SSB |
No |
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Data Bandwidth |
1 gHz |
400 gHz |
960 MHz |
520 MHz |
|
Image & LO leakage calibration |
On chip |
Off Chip |
Yes |
|
|
Phase correction |
Yes |
No |
No |
No |
|
Fidelity |
99.99% |
- |
- |
- |
|
Waveform / Instructions |
Up to 40960 pts AWG |
Fixed 22 pts symmetric |
|
16M pts AWG |
|
Instruction Set |
Yes |
No |
Yes |
Yes |
|
Power / TX |
Analog: 1.7 mW/qubit* Digital: 330 mW‡ |
Analog: <2 mW/qubit# Digital: N/A |
|
850W |
|
Chip area TX |
4 mm2 |
1.6 mm2 |
Discrete |
Rack mount |
|
Technology |
Intel 22nm FFL CMOS |
28 nm bulk CMOS |
Discrete components |
Rack mount |
比較表
* including LO/Clock driver; only RF-Low active
# does not mention circuits included
‡ can be reduced with clock gating
* including LO/Clock driver; only RF-Low active
# does not mention circuits included
‡ can be reduced with clock gating
[ISSCC’19] J. C. Bardin et al., “A 28nm Bulk-CMOS 4-to-8GHz <2mW Cryogenic Pulse Modulator
for Scalable Quantum Computing,” ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 456-458, 2019.
[RSI’17] C. A. Ryan, B. R. Johnson, D. Ristè, B. Donovan and T. A. Ohki, “Hardware for
dynamic quantum computing,” Rev. Sci. Instrum., 2017.
for Scalable Quantum Computing,” ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 456-458, 2019.
[RSI’17] C. A. Ryan, B. R. Johnson, D. Ristè, B. Donovan and T. A. Ohki, “Hardware for
dynamic quantum computing,” Rev. Sci. Instrum., 2017.
關於英特爾
英特爾(那斯達克股票代碼：INTC)是半導體產業的領導者，持續透過作為全球創新基礎的運算和通訊科技，塑造以資料為中心的未來。英特爾的工程專業能力有助於解決世界上最大的挑戰，並幫助保護、啟動和連接數十億裝置和智慧互聯世界的基礎建設 – 包含從雲端到網路，再到邊緣以及介於兩者之間的一切。有關英特爾的更多資訊，請上newsroom.intel.com和intel.com查詢。
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