在過(guò)去十年中,發(fā)展量子計(jì)算機(jī)的努力發(fā)生了爆炸性的爆炸,這種計(jì)算機(jī)可以通過(guò)指數(shù)式地加速某些計(jì)算領(lǐng)域,使物理、醫(yī)學(xué)、生物、人工智能和密碼學(xué)領(lǐng)域發(fā)生革命性變化。利用先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)原型作為概念的證明,研究人員已經(jīng)證明了"量子至上論",在幾秒鐘內(nèi)計(jì)算出最快的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)需要幾千年才能完成。

雖然這種演示無(wú)疑標(biāo)志著技術(shù)上的一個(gè)里程碑,但以難以想象的速度完成的任務(wù)并不一定是量子計(jì)算機(jī)短期商業(yè)化的前奏。為了確保量子技術(shù)在未來(lái)10年中的持續(xù)發(fā)展,量子計(jì)算硬件需要材料和制造工藝的進(jìn)步,其路徑類(lèi)似于無(wú)休止的晶體管技術(shù),這種技術(shù)使古典計(jì)算得以發(fā)展。

換句話說(shuō),與其專注于量子至上論,不如展示"量子實(shí)用性"--一種更現(xiàn)實(shí)的量子技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)可用性的轉(zhuǎn)變。

本文探討英特爾是如何在馬里蘭大學(xué)物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等工業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴的幫助下采用這種務(wù)實(shí)的方法的。

量子計(jì)算機(jī)如何工作

一種傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算機(jī)編碼二進(jìn)制信息的比特可以是兩個(gè)狀態(tài)中的一個(gè):0和1;因此,一個(gè)四位計(jì)算機(jī)寄存器可以容納兩個(gè)狀態(tài)中的任何一個(gè)。 4 或者16個(gè)可能的數(shù)字。量子計(jì)算機(jī)處理存在于 疊加 由0和1值組成;因此,例如,一個(gè)4比特計(jì)算機(jī)寄存器可以同時(shí)處理16個(gè)不同的數(shù)字。

英特爾量子實(shí)驗(yàn)室主任吉姆·克拉克告訴《歐洲電子時(shí)報(bào)》雜志說(shuō)，疊加的概念很容易被可視化。當(dāng)我們拋下一枚硬幣，等待它落地時(shí)，我們期望結(jié)果是具有相似概率的頭(狀態(tài)1)或尾(狀態(tài)2)?，F(xiàn)在假設(shè)我們傳遞了一個(gè)旋轉(zhuǎn)力來(lái)使硬幣在一個(gè)表面上旋轉(zhuǎn)。只要硬幣在旋轉(zhuǎn)，它就處于頭和尾的疊加狀態(tài)。只有當(dāng)硬幣停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，硬幣才會(huì)返回這兩種狀態(tài)中的一種。這個(gè)類(lèi)比僅限于此為止，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)處理的物體不是宏觀的，而是屬于原子或粒子的領(lǐng)域。

量子計(jì)算機(jī)能夠并行地操作更多的值,這使得它比數(shù)字計(jì)算機(jī)強(qiáng)大得多。例如,量子計(jì)算機(jī)處理 只 30比特可與能夠運(yùn)行10萬(wàn)億(10×10)的數(shù)字計(jì)算機(jī)相比。 12 )每秒浮點(diǎn)運(yùn)算。為了解決實(shí)際問(wèn)題,需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)甚至數(shù)十億個(gè)量子位,這一目標(biāo)可以通過(guò)充分利用成熟的硅芯片制造業(yè)的好處來(lái)實(shí)現(xiàn),英特爾就是這樣做的。

糾纏 使兩個(gè)或多個(gè)量子位變得緊密相關(guān)的量子屬性,使一個(gè)量子位的狀態(tài)不能獨(dú)立于其伙伴的狀態(tài)來(lái)描述。這種相互依存性允許糾纏的量子位位之間即時(shí)的信息共享,這反過(guò)來(lái)又允許專用的算法實(shí)現(xiàn)更快和更有效的解決問(wèn)題。糾纏編碼信息的方式是現(xiàn)代密碼學(xué)的基礎(chǔ)?？山⒏踩膫鬏斁W(wǎng)絡(luò),以避免 偷聽(tīng) ,因?yàn)橐粋€(gè)量子態(tài)不能被未經(jīng)授權(quán)的當(dāng)事方復(fù)制,除非發(fā)送者和接收者承認(rèn)它。

干涉 當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)量子態(tài)結(jié)合起來(lái)創(chuàng)造一個(gè)新的態(tài)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生具有建設(shè)性或破壞性的結(jié)果。建設(shè)性干擾增加了獲得正確輸出的可能性,破壞性干擾減少了錯(cuò)誤結(jié)果的可能性。因此,量子計(jì)算機(jī)可以快速地探索潛在的解決方案,與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比,它在正確答案上的收斂速度要快得多。

量子硬件的物理實(shí)現(xiàn)

由不同材料制成的幾種設(shè)備可能是構(gòu)建量子硬件的候選設(shè)備。以下是一些流行的技術(shù):

· 超導(dǎo)量子位 在極低的溫度下操作。他們是基于超導(dǎo)電路,攜帶電流零電阻和嵌入非線性LC諧振腔(約瑟夫森結(jié))。

· 束縛離子。 量子位可以通過(guò)利用電磁場(chǎng)或激光捕獲離子,并利用離子的內(nèi)部能量水平作為量子位態(tài)來(lái)創(chuàng)造。

· 硅旋轉(zhuǎn)量子位 .與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)芯片相似,硅旋轉(zhuǎn)量子位由于其可伸縮性和與現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)和制造業(yè)的本地兼容性,因此很有前途。

· 鉆石彩色中心 是作為穩(wěn)定量子位的鉆石晶體中的特殊缺陷。氮空缺(NV)中心是一個(gè)例子,它是一個(gè)與空晶格站點(diǎn)相鄰的替代氮原子。

· 拓?fù)浔Ｗo(hù) 配額位 以奇異的亞原子粒子為代表,對(duì)某些類(lèi)型的噪音和誤差是堅(jiān)固的 脫散 .在與環(huán)境發(fā)生不必要的相互作用后,非相干性可以被解釋為量子比特微妙量子態(tài)的斷裂。這種彈性取決于量子信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)拓?fù)鋵傩灾械氖聦?shí)(即:,全球范圍),而不是單個(gè)粒子(當(dāng)?shù)?。

英特爾的硅旋轉(zhuǎn)量子

英特爾擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的策略主要集中在硅旋轉(zhuǎn)量子位。半導(dǎo)體CMOS技術(shù)能夠?qū)?shù)十億個(gè)晶體管壓縮到由300mm晶圓片制成的經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片上,而英特爾也在打賭,同樣的技術(shù)可以被復(fù)制來(lái)建立一個(gè)足以解決現(xiàn)實(shí)應(yīng)用問(wèn)題的量子計(jì)算機(jī)。這種方法是可行的,因?yàn)楣栊D(zhuǎn)量子位與半導(dǎo)體晶體管有許多相似之處,它們構(gòu)成了微處理器的基本功能塊。旋轉(zhuǎn)量子位的小尺寸,大約100納米的直徑,使它們比其他量子位類(lèi)型的密度更大,使更復(fù)雜的量子計(jì)算機(jī)能夠在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)。英特爾采用的制造方法是利用極端紫外線光刻技術(shù),這與今天計(jì)算機(jī)工業(yè)制造大容量芯片常用的設(shè)備相同。

要實(shí)現(xiàn)具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)統(tǒng)一和一致的錯(cuò)誤校正量子位的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī),就需要高度可靠的制造工藝,而這些工藝只能在成熟的晶圓生產(chǎn)場(chǎng)地上運(yùn)行。英特爾指出,它運(yùn)送約800萬(wàn)億的晶圓(800x10) 15 )晶體管。按這個(gè)速度,到2025年,這個(gè)值將超過(guò)地球上所有人類(lèi)的細(xì)胞總數(shù)。

硅旋轉(zhuǎn)量子位的優(yōu)點(diǎn)

大多數(shù)經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管有三個(gè)終端:門(mén)(G)、源(S)和漏(D)。在G上應(yīng)用控制電壓后,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子通道,使電流能夠在D和S之間流動(dòng),就像開(kāi)關(guān)一樣。旋轉(zhuǎn)量子位具有類(lèi)似的晶體管結(jié)構(gòu),但具有多個(gè)閘門(mén)。 障礙物 在一個(gè)小島上,蓋茨用來(lái)中斷通道并限制電子。 量子點(diǎn) .通過(guò)正確控制施加于另一種閘門(mén)的電壓,被稱為 跳槽者 門(mén),可以將量子點(diǎn)上的電子掃走,直到只剩下一個(gè)電子。它的固有角動(dòng)量(或旋轉(zhuǎn),量子數(shù)之一) 孤獨(dú)的 然后可以用電子作為一個(gè)量子位。

在經(jīng)典物理學(xué)中,帶電荷的旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生磁場(chǎng).同樣,電子由于其旋轉(zhuǎn)而顯示出磁性質(zhì),盡管這與物理旋轉(zhuǎn)并不直接對(duì)應(yīng)。電子旋轉(zhuǎn)是量子化的,只能假設(shè)兩個(gè)值:向上方向的半和相反方向的----。兩個(gè)值中的一個(gè)值,可以通過(guò) 塞曼影響并表示硅旋轉(zhuǎn)量子位的兩個(gè)量子態(tài)。而且,通過(guò)仔細(xì)控制這個(gè)電子,這兩個(gè)狀態(tài)可以放在一個(gè)疊加的配置。英特爾的克拉克說(shuō):"如果我們有一個(gè)單電子晶體管鏈,我們就能控制電子之間的相互作用和它們的波函數(shù)重疊,從而使兩個(gè)電子相互糾纏。"這些是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的基本元素。

量子比特的內(nèi)在脆弱性仍然是一個(gè)問(wèn)題,因?yàn)榱孔颖忍卦趯?duì)熱變化、噪音或振動(dòng)的反應(yīng)中損失信息的毫秒。為了消除這種不便,英特爾的科學(xué)家們把量子陣列放進(jìn)了 稀釋冰箱 使用氦同位素 3 他和 4 他把這些設(shè)備冷卻到米利克爾文范圍--比外太空冷250倍。具有復(fù)雜電線和電纜的低溫控制電路確保了信號(hào)進(jìn)出冰箱。

英特爾說(shuō),通過(guò)充分利用晶體管和硅旋轉(zhuǎn)量子位之間的相似性,它可以使后者非常小--比超導(dǎo)或帶離子的量子位小一百萬(wàn)倍--并將數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億裝在目前微處理器大小的芯片上。還可以使用世界各地主要晶體管制造設(shè)施的相同基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備,并進(jìn)行必要的工藝控制,以確保各個(gè)量子位相互匹配。

英特爾的研究量子芯片

在俄勒岡州希爾斯伯羅的D1制造廠里用300毫米的晶圓片制造的12夸比特硅芯片標(biāo)志著下一步要建立一個(gè)完整的商業(yè)量子計(jì)算系統(tǒng),量子研究和學(xué)術(shù)界可以利用,因?yàn)樗狈Υ笕萘康闹圃鞕C(jī)械?？死苏f(shuō),通過(guò)訪問(wèn)英特爾的量子軟件開(kāi)發(fā)工具包,訪問(wèn)隧道瀑布是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算研究民主化的切實(shí)努力。

同時(shí),利用先進(jìn)的CMOS制造線,英特爾可以使用創(chuàng)新的工藝控制技術(shù),以更好的產(chǎn)量和性能。例如,英特爾聲稱隧道下降12比特的設(shè)備到達(dá)了 ?晶圓率95% 電壓均勻度與CMOS邏輯過(guò)程相似,每個(gè)晶圓提供了24,000多個(gè)量子點(diǎn)器件。每個(gè)12位芯片都可以形成4到12個(gè)量子位,它們可以隔離并同時(shí)用于操作,這取決于研究實(shí)驗(yàn)室如何操作其系統(tǒng)。

濕法測(cè)試和單電子控制

探測(cè)和測(cè)試晶圓片上的每個(gè)量子模具是一項(xiàng)巨大的努力,因?yàn)樾D(zhuǎn)量子比特設(shè)備必須沉浸在一個(gè)受控制的低溫環(huán)境中。據(jù)最近的報(bào)告英特爾研究人員在《自然》雜志上公布了一個(gè)300毫米的低溫探測(cè)程序,用于收集整個(gè)晶圓片上的高容量數(shù)據(jù),從而產(chǎn)生無(wú)與倫比的均勻性、準(zhǔn)確度和旋轉(zhuǎn)量子位的測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)--這些都是持續(xù)規(guī)?；蜕a(chǎn)的先決條件。

在量子比特處理的上下文中,保真參數(shù)量化了實(shí)際量子比特的最終量子態(tài)的偏差--這些偏差容易發(fā)生解碼--與理想情況。英特爾的研究人員發(fā)現(xiàn),CMOS技術(shù)中的量子點(diǎn)單電子器件達(dá)到了99.9%的保真度。此外,在沃夫低溫測(cè)試工具的好處,通過(guò)允許更多的擴(kuò)展自動(dòng)測(cè)量跨晶圓。英特爾表示,測(cè)試能力的進(jìn)步也將使設(shè)計(jì)人員能夠安排更多層,以制造更多的量子位數(shù)據(jù)的二維陣列。

低溫探測(cè)器可以在大約兩小時(shí)內(nèi)裝載和冷卻晶圓片,溫度為1K(以安全地保存晶圓片),電子溫度接近1.6K。此后,成千上萬(wàn)的旋轉(zhuǎn)量子位陣列和測(cè)試模式可用于測(cè)量。測(cè)試模式是設(shè)計(jì)用來(lái)模擬完整設(shè)備的子組件的微小結(jié)構(gòu),有助于識(shí)別和糾正制造流程的具體過(guò)程步驟中的缺陷。

利用大體積晶體管的制造方法,將量子點(diǎn)與平面結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái),獲得了更高的收益率。在優(yōu)化的設(shè)備版本中,兩層集成為被動(dòng)門(mén)--一個(gè)用于控制電荷積累,另一個(gè)用于篩選/電荷消耗。然后,通過(guò)高雙電常數(shù)(高K)復(fù)合堆棧將閘門(mén)電極從異質(zhì)結(jié)構(gòu)中分離出來(lái),而相鄰閘門(mén)的隔離則通過(guò) 空間器 一堆堆。異質(zhì)結(jié)構(gòu)(具有不同性質(zhì)的分層材料)的創(chuàng)造使研究人員能夠操縱和微調(diào)量子點(diǎn)中的能量水平。

主機(jī)材料是硅/硅 0.7 通用電氣公司 0.3 生長(zhǎng)在300毫米硅片上的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。選擇這種結(jié)構(gòu)是為了利用硅中電子旋轉(zhuǎn)的持久相干性及其對(duì)幾個(gè)量子位編碼的適用性。

與CMOS邏輯過(guò)程中的情況一樣,增加量子處理器的規(guī)模需要增加量子比特的產(chǎn)量。為了評(píng)估這種特殊流的產(chǎn)量,英特爾的研究人員在一個(gè)晶圓片上測(cè)試了12量子點(diǎn)的設(shè)備。他們計(jì)算了諸如歐姆觸點(diǎn)、閘門(mén)、量子點(diǎn)和全12QD器件等單個(gè)元件的產(chǎn)率。該測(cè)試方法的結(jié)果指導(dǎo)了設(shè)計(jì)人員優(yōu)化CMOS流程,使其具有低的流程可變性和高的產(chǎn)量,與預(yù)期的尖端技術(shù)節(jié)點(diǎn)兼容。

低溫檢測(cè)具有高容量能力,將繼續(xù)提高工藝質(zhì)量,以減少變異和混亂,并使性能篩查更加有效。混亂與環(huán)境中的隨機(jī)雜質(zhì)有關(guān),并引起電荷噪聲引起的脫相干。

總體而言,這些結(jié)果為旋轉(zhuǎn)量子比特設(shè)備的規(guī)模和可靠性設(shè)定了一個(gè)基準(zhǔn),目的是在未來(lái)準(zhǔn)備更大更復(fù)雜的陣列。