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英特爾挖掘量子計算中硅自旋量子位的潛力

(本欄目內容由 美通社亞洲 提供)

北京2018年3月8日電 /美通社/ -- 量子計算被認為有潛力解決當今傳統計算機無法勝任的問題。科學家以及各行各業都期待量子計算能夠加速化學或藥物開發、金融建模,甚至氣候預測等領域的發展。

英特爾公司在其300毫米制程技術上創造了一個自旋量子位,使用的是類似的同位素純晶圓。(圖片來源:Walden Kirsch/英特爾公司)


英特爾公司在其300毫米制程技術上創造了一個自旋量子位,使用的是類似的同位素純晶圓。(圖片來源:Walden Kirsch/英特爾公司)

為了釋放量子計算的潛力,英特爾在2015年啟動了一個合作研究項目,其目標是開發商業上可行的量子計算系統。

雖然已經取得了巨大的進展,但是量子計算研究仍然處於萌芽階段。整個行業還處於馬拉松的第一公裡,為了實現這個新的計算模式,必須解決很多問題,並做出許多架構方面的決策。例如,現在還不清楚量子處理器(或量子位)會采用哪種形式。這就是為何英特爾要押注兩個重大研究,並對它們同等的投資。

一種可能的形式就是超導量子位,英特爾在開發這類測試芯片中取得快速進展,行業和學術界的其它廠商和機構也在追求這種方案。此外,英特爾還在研究另一種替代結構,利用公司所具備的世界一流硅晶體管制造的專長。這種替代架構被稱作“自旋量子位”,其在硅片上運行,可以克服一些量子計算從研究到實用的障礙。

自旋量子位是什麼?

自旋量子位與我們現在已知的半導體電子和晶體管高度相似。它們充分利用芯片設備上的一個電子自旋並用微小的微波脈沖來控制運動,從而釋放其量子能量。

電子可以向不同的方向自旋。當電子向上自旋時,數據表示二進位數值1。當電子向下自旋時,數據表示二進位數值為0。但是,類似於超導量子位的運作方式,這些電子也存在“疊加”,也就是說,它們有可能同時向上、向下自旋,在這一過程中,理論上它們可以並行處理巨大的數據集,並且比經典計算機要快得多。

為何要研究自旋量子位?

在量子計算實現商用之前,研究人員必須克服的一個挑戰就是量子位脆弱的本質。任何噪聲或無意的觀測都會造成數據丟失。這種脆弱性需要它們在極冷的溫度下操作,這為芯片本身的材質設計以及使其運行所必需的控制電子元件帶來了挑戰。超導量子位非常龐大,它們在一個55加侖圓桶大小的系統中運行,這使其難以把量子系統的設計擴展到開發真正商用系統所需的數百個萬量子位的規模。

與超導量子位相比,自旋量子位在解決這些挑戰方面具備一些優勢:

它們小而強大:自旋量子位的實際尺寸小得多,它們的相干時間預計也長得多——如果研究人員的目標是把該系統擴展到商用系統所需的數百萬個量子位,那麼這就是一個優勢。

它們能夠在較高的溫度下運行:相對於超導量子位,硅自旋量子位可以在較高的溫度下運行(1開爾文,而不是20毫開爾文)。通過把控制電子元件集成放在更靠近處理器的位置,這可以大大降低運行芯片所需系統的復雜性。英特爾和學術研究合作伙伴QuTech*正在探索自旋量子位在更高溫度下運行,並獲得有趣的成果,自旋量子位比超導量子位的運行溫度最多高1K(或熱50倍)。團隊計劃將在3月的美國物理學會1(APS)大會上分享這一成果。

英特爾制造秘訣:自旋量子位處理器的設計非常類似於傳統硅晶體管技術。盡管擴展該技術還面臨著關鍵的科學和工程挑戰,但憑借幾十年來大規模制造晶體管的經驗,英特爾擁有出色的設備和基礎設施。

自旋量子位研究的現狀如何?

在今年2月份舉行的美國科學促進會2(AAAS)年會上,QuTech展示了其開發兩個量子位自旋量子計算機的成果,該計算機可進行編程,來執行兩個簡單的量子算法。這一發展為規模更大、能應對更復雜應用的自旋處理器鋪平了道路。更多信息可參考2月14日出版的《自然》雜志文章

此外,英特爾還在其300毫米制程技術上發明了自旋量子位制造流程,采用專門用於生產自旋量子位測試芯片的同位素純晶圓,並能和英特爾先進的晶體管技術一樣,在同一個設施中制造。英特爾正在測試其初始晶圓,在幾個月的時間裡,英特爾預計每周將生產許多晶圓,每個晶圓都有數千個小量子位陣列。

未來,英特爾和QuTech將在整個量子系統或“棧”上繼續探索超導和自旋量子位,從量子位設備到控制這些設備以及量子應用所需的硬件和軟件架構。所有這些元素都是推動量子計算從研究變為現實的關鍵。

1 美國物理學會(American Physical Society, APS)成立於1899年,是世界第二大物理學組織,並發表以上十余種科學期刊,每年舉辦20多項科學會議,約有四萬多會員。

2 美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science -- AAAS,以下簡稱科促會)成立於1848年,是世界上最大的科學和工程學協會的聯合體,也是最大的非盈利性國際科技組織,下設21個專業分會,涉及學科包括數學、物理、化學、天文、地理、生物等自然科學和社會科學。

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