英特爾正在用兩種新方法開發量子晶元 如果成功人類歷史就要變了

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說到量子計算技術，英特爾的起步算晚的，但是它的進步還是蠻快。最近，英特爾量子硬體主管吉姆·克拉克（Jim Clarke）接受了IEEE的採訪，他說英特爾開發兩種量子技術，這些技術會給行業做出貢獻，幫助行業開發出超快運算技術。

首先就是Tangle Lake，它是一款特殊的封裝晶元，包括49個超導量子比特，1月份，英特爾CEO曾經在CES展會上展示過。還有就是新圓晶，克拉克展示一塊完整的硅圓晶，英特爾用它生產測試晶元。每個晶元最多可以有26個量子比特，它依靠單個電子自旋來運行。

5月9日，硅圓晶送到代爾夫特理工大學測試，這是第一批圓晶。克拉克團隊每周可以製造5塊這樣的圓晶，即使如此，英特爾現在已經製造的量子位設備可能比之前量子計算產業製造的總和都要多。

下面我們聽聽克拉克是如何解釋的：

——Tangle Lake有什麼特別的地方？

對於量子計算系統來說，封裝相當重要。現在的計算機會在室溫下運行，或者放在口袋，或者戴在手腕上，或者運行時溫度稍高一些，但是要讓超導量子比特運行，溫度只能比絕對零度稍高一些。所以我們開發了一種封裝技術，它可以抵抗機械溫度，而且不會妨礙信號傳輸。

——Tangle Lake技術對量子比特的密度會不會有什麼限制？這些插腳引線看起來非常大啊。

這可能是英特爾製造過的最大晶元-印刷電路組合產品。如果單塊晶元有這如此大的尺寸，它的熱膨脹和熱收縮都是很嚴重的。不只如此，你還可以看到連接器的尺寸也很大。

用這種技術生產，你可以擴大晶元尺寸（每塊晶元擁有更多的量子比特）。接下來，我們也讓量子比特變得更小，讓連接器變得更小。這樣一來，即使總面積一樣，也可以裝入更多的量子比特。如果用這種技術生產，你很難植入幾百萬個量子比特，只有放進這麼多的量子位，它才能真正改變我們的生活。

——如何植入數以百萬計的量子比特呢？

如果用這種技術生產，最多可以達到1000個。如果超過1000，就要另想方法了。正因如此，我們才會開發多種量子比特技術。今天秋天，我們曾經談論過，不過談的都是超導晶元。實際上我們正在開發的技術有兩種。每種技術都有各自有優點和缺點。例如，量子比特還有一種形式，叫作硅旋轉量子比特，它的尺寸小很多，小了100萬倍。這可能是一個很重要的優點。

——硅旋轉量子比特是如何工作的？

你不妨想想傳統晶體管，穩定的電流從晶體管中穿過。我們現在要做的事相當於將一個電子放進晶體管，它有兩種狀態，向上旋轉或者向下旋轉。這是量子比特的兩種狀態。從本質上講，我們就是要製造多個單電子晶體管，將它們組合在一起，用英特爾先進的晶體管製程技術組合在一起。

我們認為，利用英特爾最棒的晶體管製程技術，應該可以創造出最棒的旋轉量子比特。為什麼研究這種技術？這是一個原因。

——這塊圓晶上面有多少個量子比特？

和傳統圓晶一樣，你要把它切割成單塊晶元，每塊晶元有3、7、11或者26個量子比特。當我們製造一塊這樣的圓晶時，裡面包含成千上萬個子陣列。所以說，單是用這麼一塊圓晶，可以創造的量子比特陣列數量可能就比之前大學製造的所有陣列加起來還要多，這是完全有可能的。

——與超導量子比特相比，還要等多久才能用上旋轉量子比特技術呢？

如果超導量子比特社區能製造10-50量子比特的晶元，那麼旋轉社區就能製造幾個量子比特的晶元。旋轉量子比特技術可能晚了幾年吧。以前這個領域缺少一些東西，比如英特爾這樣的半導體巨頭掌控了先進的製程技術，但是它們沒有參與進來。現在我們來了。

在近期之內，我們要做的事情就是將旋轉量子比特晶元變成量子比特晶元。現在，它們還是線性陣列，也就是我們所說的「量子點」。我們還在努力證明其中物理原理。

我將它與超導量子比特對比一下：超導量子比特正在努力尋求進步，現在已經發展到可以與系統整合的階段。製造一塊像Tangle Lake一樣大的量子晶元，就可以圍繞它開發各種組件了。我們正在開發量子版「Intel Architecture」（英特爾架構），它可以兼容Tangle Lake。到了某個時間點，我們會用另一種類型的量子比特取代它，放進整個架構。

英特爾正在努力打造可以擴展的量子系統。不管是50個量子比特，還是100萬個量子比特，系統都能用。我們希望一旦未來出現新的量子比特，我們沒有必要更換系統。

——在應用方面，兩種量子比特技術並沒有什麼不同，是嗎？

希望如此。我們會向兩種技術下注。一旦達到「里程碑」，比如在多量子比特操作或者糾錯方面取得突破，就會做出選擇，選擇某一種技術。

——目前英特爾有沒有開發相應的軟體？

已經開發出一個模擬器，用了幾年了，它叫作「英特爾量子模擬器」。去年，我們將它放在英特爾開源軟體網站上，也就是01.org。

在筆記本上，你可以模擬30量子比特的運行，很有趣。但是量子計算的要求是指數級增長的，如果是40量子比特，就要用超級電腦才能處理了。

一般來說，先是由演算法工程師拿出演算法，然後在模擬器上測試，然後將反饋意見交給硬體團隊，或者在早期硬體上測試。從本質上講就是一個「反饋迴路」。

現在單是在模擬器方面就有許多要學的東西。一旦達到特定尺寸（比如可以模擬49量子比特），就要尋找其它辦法來驗證演算法。

——還要等多久才能看到1000量子比特系統呢？

回看歷史，從第一個晶體管出現到第一塊集成電路出現，大約經歷了10年，從第一塊集成電路出現到英特爾4004微晶元誕生，又用了大約10年時間。4004晶元有2500個晶體管。如果我們以此作為參照，現在的量子比特技術相當於1960年代初期。在5年之內，量子比特數量達到1000個並非空談。這是一個非常有吸引力的目標。

如果想達到100萬個的目標，可能要等10年或者更多年，只有達到100萬個，才能真正改變我們的社會。

希望達到1000的目標後，發現將數量增加1000倍不會更難。一切還有待觀察，就眼下來說這只是一個美好的願望。

——未來的量子計算機會將不同的晶元連接起來，量子信息在晶元之間傳輸，是不是這樣？

我們在荷蘭有一些合作夥伴，他們正在研究一個問題：如果在硅的一部分中有旋轉量子比特，另以影響另一部分的量子比特嗎？為什麼這個問題值得研究？因為如果在量子比特之前間有空隙，就可以放進電子控制元件（相當於集成計算機晶元）。

看看Tangle Lake，上面只有量子比特，沒有電子控制元件。

超導量子比特只有在極低溫度下才能運行，這種極低溫度要用稀釋制冷機來實現。在旋轉量子位晶元中，也許可以讓控制電子組件離真正的量子比特更近一些。

將控制電子元件放在橋接位置有許多好處。英特爾正在開發冷凍控制晶元，它可以優化低溫運行效率，與特定晶元兼容。今年晚些時候我們就能看到這樣的晶元。

——與超導量子比特晶元相比，為什麼在旋轉量子比特晶元中植入電子控制元件更容易一些呢？

有幾個原因。主要的原因是旋轉量子比特可以在更高的溫度下運行。所謂的更高溫度，不是絕對零度之上高百分之一度，而是高一度。聽起來不多，但是從製冷角度看已經是了不起的進步了。溫度高了，就可以在量子比特之間放下電子元件，同時保持量子比特能夠運行。

——這些巨大的製冷器讓量子晶元運行，它不會消耗太多的能量嗎？

有許多人問過同樣的問題，因為數據中心很關心能耗。所以數據中心一般建在荒蕪之地，那裡的土地便宜，許多時候還靠近河流。我們可以這樣想：量子晶元並不能提升能耗效率。如果我們可以建一個量子數據中心，它們並不節能，但是這些數據中心的計算力強大無數倍，比其它系統強幾百甚至幾千倍，那時你還會在乎能耗嗎？如果從單位能源的計算力來看，它的指標可能會高一些，但是計算力會獲得無數倍的提升。

——你們已經生產了多少硅旋轉量子比特圓晶？

每周生產5塊。第一批樣本今天（5月9日）已經送到代爾夫特。與我們的晶體管項目相比，這樣的產量微不足道。儘管如此，5塊圓晶製造的量子設備仍然比量子計算行業之前造的設備都要多。

——在未來一段時間內，量子計算機會在哪些有趣的地方派上用場，你能預測一下嗎？

比如優化演算法，我們已經在用了，一般人可能感覺不到。在化學、生物、金融、數學系統中，經常要優化演算法。我們並不一定要去做，但是要學習。

還有一些人已經用量子計算研究化學、材料學。如果你可以深入理解分子，比之前更深入，理解的速度更快，就能為化學、藥物、材料打開新天地，以更快的速度改變我們的生活。這是第一個應用領域，然後我們可能會用量子計算機研究密碼學。

——未來還會有什麼用途？

矩陣求逆、密碼學、非結構化搜索，都能用上量子計算。還有一些應用可能沒有開發出來。現在的量子計算機如同1970年代的Cray 1超級計算機。當時有一場鬥爭，各國的實驗室都想當第一名。40年過去了，我們很難相像，口袋裡的計算機居然比那時的超級電腦還強大。技術進步很快，我很難預測未來會怎樣。有一點是確定的：如果我們找到了強大的計算力，會有人用它的。這點沒有疑問。

——展望未來，量子計算還有哪些「里程碑」值得期待？

有幾個「里程碑」值得期待。量子比特的質量必須足夠好，這樣就不會經常出錯。我們管它叫「保真」。其次，量子比特還要具備糾錯能力。量子比特不會存在很長時間，需要許多的冗餘量子比特來糾正錯誤。從一定程度上講，這點還沒有被證明，仍然要繼續求證。第三個問題就是電子控制。要讓系統在超低溫度下運行，不能有太多的延遲，速度必須很快。這個領域還在探索之中。

「互聯」是我最擔心的問題，也就是量子之間的連線。我舉個例子：Tangle Lake有108個RF連接器，連接到外部世界，但它只有49個量子比特。我們的伺服器晶元有70億個晶體管，但是只用2000個針腳與外部世界連接，當中大多連接到電源，或者接地。我們的內存晶元（Optane）可以達到1TB容量，只用不到100個針腳與外部世界連接，引線居然比量子比特還要多，這是不合理的。

——你們有沒有找到解決互聯問題的好方法？

我們已經有幾種構想，但是今天不方便透露。其中一種構想在基礎物理原理方面還需要驗證。總之，在基礎科學領域還要繼續探索，但是未來值得期待。

我是1972年出生的，當時登月計劃已經到了末期。量子計算項目與太空競賽有許多相似之處。我們想從本質上改變計算技術，它會影響未來100年。為什麼有如此多的人參與競爭，原因正在如此。他們也有同樣的感覺。

——真的是競賽嗎？還是說「漲潮了，所有船跟著上浮」，只不過是水漲船高？

2015年我們開始與代爾夫特的大學合作，沒有什麼是可以自己單獨做的，必須合作。對我們來說，與大學合作有好處，可以一起設計量子計算架構。話雖如此，可是今天許多大學和企業還是關門閉戶搞研究？因為他們認為技術會以很快的速度成熟，實際沒那麼快。如果不加入到更協作的環境中去，會不會妨礙我們進步？這是我們想知道的。

我們與多所大學合作，對於商務合作，我們也保持開放態度，只要其它行業的合作夥伴願意加入就行了。

——讓我們來想像一下，到了2050年，哪種技術會更重要，是AI還是量子計算呢？沒錯，我們可能會說兩者都重要，但是如果非要讓你選一個，你選誰？

我對這個問題持保留態度，不過我還是回答一下吧：就眼下來說，量子計算的應用空間很有限，可能比AI的應用範圍更小。所以從普及角度看，贏家可能是AI。如果你能找到一個應用場景，用量子計算機執行，運行速度更快，而且快很多很多。這要一來，量子計算機就能幫上大忙，比如尋找癌症治療藥物，此時量子計算就會成為贏家。

來源：IEEE

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