量子計算硬件的四大挑戰

近日，IEEE Spectrum網站特邀英特爾實驗室量子硬件總監James S. Clarke爲本週的2022年IEEE量子周撰文——《從量子計算的炒作中理清事實真相》[1]。

英特爾工程師正在努力加速量子計算髮展

全文翻譯如下（僅代表作者觀點）：

很少有領域像量子計算一樣招致肆無忌憚的炒作。大多數人對量子物理的理解延伸到了它是不可預測的、強大的、幾乎是存在性的奇怪事實。2019年，我向IEEE Spectrum提供了一份關於量子計算狀況的最新資料，並看了整個行業的積極和消極主張。就像那時一樣，我今天仍然保持着熱情的樂觀態度。儘管炒作是真實的，並且已經超過了實際結果；但在過去幾年中，量子領域也取得了很多成就。

首先，讓我們來談談炒作的問題。

在過去的五年裡，圍繞着量子計算有不可否認的炒作。圍繞着方法、時間表、應用等等的炒作。早在2017年，供應商就宣稱該技術的商業化只需幾年時間，比如，宣佈到2020年建立一個5000比特的系統（這並沒有發生）。甚至出現了我稱之爲“反炒作”的情況，一些人質疑量子計算機是否會實現（我希望他們最終是錯的）。

最近，一些公司已經將他們的時間表從幾年調整到十年，但他們繼續發佈路線圖，顯示商業上可行的系統最早在2029年。而這些由炒作推動的期望正在制度化。美國國土安全部甚至發佈了一個路線圖，以防止量子計算的威脅，努力幫助機構過渡到新的安全系統。這爲量子計算應用和後量子密碼安全創造了一種“不採用就會落後”的心態。

市場研究公司Gartner（以“炒作週期”[2]聞名）認爲，量子計算可能已經達到了炒作的頂峰，或其五階段增長模式的第二階段。這意味着該行業即將進入一個名爲“幻滅的低谷”的階段。根據麥肯錫公司的說法：“根據已公佈的基於門的量子計算玩家的硬件路線圖，容錯量子計算有望在2025年至2030年之間實現。”我認爲這並不完全現實，因爲我們仍然有一個漫長的旅程來實現量子實用性——量子計算機可以做一些獨特的事情來改變我們的生活。

在我看來，量子實用性可能還需要10到15年的時間。然而，朝着這個目標的進展不僅僅是穩定的：它正在加速。這與我們看到的摩爾定律和半導體進化是一樣的。我們發現的越多，將走得越快。半導體技術花了幾十年的時間發展到目前的狀態，每次都在加速發展。我們期望量子計算也有類似的進步。

事實上，我們發現，我們在英特爾設計晶體管時學到的東西也有助於加快我們今天的量子計算開發工作[3]。例如，在開發硅自旋量子比特時，我們能夠利用現有的晶體管制造基礎設施來確保質量並加快製造速度。我們已經開始在一個大批量製造廠的300毫米硅晶圓上大規模生產量子比特，這使我們能夠在一塊晶圓上部署超過10000個量子點的陣列。我們還利用我們在半導體方面的經驗，創建了一個低溫量子控制芯片，稱爲“Horse Ridge”，這有助於解決與量子計算相關的互連挑戰，因爲它消除了今天擠在稀釋製冷機中的許多電纜。而我們在測試半導體方面的經驗促成了低溫探針的開發，它使我們的團隊能夠在數小時內獲得量子設備的測試結果，而不是像以前那樣需要幾天或幾周。

Horse Ridge低溫控制芯片

其他人可能也從他們自己之前的研究和經驗中受益。例如，Quantinuum最近的研究表明，在一個使用實時量子糾錯的容錯電路中實現邏輯量子比特的糾纏。雖然仍然很原始，但它是這個關鍵領域所需的進展類型的一個例子。就其本身而言，谷歌有一個新的開源庫，名爲Cirq，用於量子計算機編程。與IBM、英特爾和其他公司的類似庫一起，Cirq正在幫助推動改進量子算法的發展。最後，IBM的127量子比特處理器——Eagle，顯示了在提高量子比特數量方面的穩步進展。

也有一些關鍵的挑戰仍然存在。

首先，我們仍然需要更好的設備、高質量的量子比特。雖然最好的單量子比特門和雙量子比特門達到了所需的容錯門檻，但還沒有在一個更大的系統上實現這一目標。

第二，我們還沒有看到有人提出量子計算機的互連技術：其重要程度不亞於我們今天給微處理器佈線的方式。現在，每個量子比特需要多條控制線；在創造大規模量子計算機時，這種方法是站不住腳的。

第三，我們需要快速的量子比特控制和反饋環路。Horse Ridge是這方面的先驅，因爲我們期望通過將控制芯片放在製冷機裡，從而更接近量子比特芯片來改善延遲。

最後是糾錯。雖然最近有一些跡象表明在糾正和緩解方面取得了進展，但還沒有人在一大羣量子比特上運行一個錯誤糾正算法。

隨着新的研究定期顯示新的方法和進展，這些都是我們將克服的挑戰。例如，許多業內人士正在研究如何將量子比特和控制器集成在同一個芯片上，以創建量子系統芯片（SoC）。

但我們離擁有一臺容錯的量子計算機還有相當長的一段距離。在未來10年裡，英特爾預計在量子比特數量和性能方面具有競爭力（或領先於其他公司），但正如我之前所說，一個足以提供令人信服的價值的系統將在10至15年內由任何人實現。該行業需要繼續其在量子比特數量和質量上的發展；在此之後，下一個里程碑應該是生產數千個高質量的量子比特（仍然需要幾年時間），然後將其擴展到數百萬。

要知道谷歌花了53個量子比特來創建一個可以完成超級計算機功能的應用程序。如果我們想探索超越今天的超級計算機的新應用，我們將需要看到更大數量級的系統規模。

量子計算在過去五年中取得了長足的進步，但我們仍有很長的路要走，投資者將需要爲其提供長期資金。實驗室裡正在發生重大的發展，它們爲未來可能發生的事情展示了巨大的前景。就目前而言，重要的是我們不要被炒作所迷惑，而要專注於真正的成果。

[1]https://spectrum.ieee.org/ieee-quantum-week

[2]https://www.gartner.com/en/research/methodologies/gartner-hype-cycle

[3]https://www.intel.com/content/www/us/en/research/quantum-computing.html