利用量子運算再造資料處理

量子運算正逐漸從理論世界脫身,發展成為現實世界的系統。

Intel® Labs 正在奧勒岡州製造量子處理器,並進行系統層級的工程,希望在十年之內讓量子運算到達生產水準。

什麼是量子運算

資料二進位編碼對運算十分重要,其中位元以電氣「開」或「關」的狀態表示 0 或 1。量子運算賦予該方法全新樣貌,用量子位元取代位元,量子位元可以同時表現多個狀態,如同它們在古典物理學的一般定義。使用量子位元和量子現象(例如疊加和糾纏)代表資料的量子系統可能用前所未見的大規模平行處理來進行運算。

Intel® Labs 為量子運算所做的努力帶動了持續的內部研究,搭配橫跨全球學術界和產業界的合作關係和投資,還有 Intel 在矽晶製造技術方面的領先地位。研究工作已持續數十年,從理論層面開始發展,經過大半個 20 世紀的思想實驗,直到過去幾年已開發出量子運算適用的首款正常運作的硬體元件。

量子運算的時間表。

Intel® Labs 的研究直接促成 Tangle Lake 的發展,這是一款超導量子處理器,在 Intel 設於奧勒岡州希爾斯伯勒的 300 毫米晶圓廠製造,在單一封裝中整合了 49 個量子位元。這款裝置代表由 Intel 生產的第三代量子處理器,從其前代產品的 17 量子位元開始往上擴充。

Tangle Lake 讓持續發展的全量子運算系統邁出一大步,而這個目標可能還要十年才能實現。這類系統保證會帶來前所未見的能力,可模擬和分析自然現象,從而迅速回答現象學問題。現今的超級電腦必須花費大量時間才能回答這類問題。那樣的能力預期會在各個迥異的領域促成突破性發展,包括個體化遺傳醫學、天體物體學以及解決環境挑戰。

Tangle Lake 49 量子位元量子處理器。

與產業界和學術界合作推動長期發展
要發展正常運作的量子運算系統,必須面對各式各樣的艱鉅挑戰。例如,量子位元本身極脆弱,任何干擾包括度量在內,都會導致他們從量子狀態恢復成古典(二位元)狀態,並造成資料遺失。Tangle Lake 亦必須在極低溫度下運作,在離絕對零度只有不到 1 K 克耳文的範圍內。

此外,擴充規模也有重大問題,因為現實世界中要以商業規模執行的話,可能需要至少 100 萬個量子位元。鑑於那樣的現實,相對較大的量子處理器本身即面對重大限制;例如,Tangle Lake 大約是 3 平方英吋。為了克服這些挑戰,Intel 正積極發展設計、建模、封裝和晶圓製造技術,望能創造更多更複雜的量子處理器。

Intel 在 2015 年開始與荷蘭一家量子運算組織 QuTech 合作;Intel 對 QuTech 投資了 5 千萬美元,長期提供工程設計的資源,協助加速該領域的發展。荷蘭應用科學研究院 (Netherlands Organisation for Applied Research) 與 Delft University of Technology 當初創立 QuTech 的宗旨就是要成為先進的量子運算研究與教育中心。結合 Intel 在晶圓製造、控制電子學和架構設計方面的專業能力,此一合作關係是專為克服發展首個可行的量子運算系統的各種挑戰而生。

目前,在俄勒岡製造的 Tangle Lake 晶片會運送到荷蘭的 QuTech 進行分析。QuTech 已發展出健全的技術來模擬量子工作負載,作為解決諸如連接、控制和測量多個糾纏的量子位元一類問題的方法。除了有助於推動量子電腦的系統層級設計以外,透過這項工作所揭露的獨到分析,也能從設計和晶圓製造更快過渡到未來世代技術之測試。

除了與 QuTech 共同合作以外,Intel® Labs 也與價值鏈體系的其他成員合作,共同解決整個量子運算堆疊中根本的和系統層級的挑戰。由 QuTech、University of Toronto、University of Chicago 和其他機構合力進行的研究,從量子裝置開始擴大建構,納入諸如錯誤修正、硬體和軟體型控制機制等機制,以及用來發展量子應用程式的方法和工具。

超越超導:自旋量子位元的承諾
要解決量子處理器(例如採用超導量子位元的 Tangle Lake)固有的一些挑戰,其中一個方法是研究由 Intel® Labs 和 QuTech 推出的自旋量子位元。自旋量子位元是依賴矽晶中單一電子的自旋來發揮功能,由微波脈衝控制。與超導量子位元比較,自旋量子位元與矽晶中運作的既有半導體元件更為相似,有可能善用既有的晶圓製造技術。此外,研究中前景最光明的方面有可能為下列領域帶來優勢:

• 作業溫度:自旋量子位元必須在極低溫的條件下作業,但是比超導量子位元的程度稍低(大約是 1 克耳文相對於 20 毫克耳文);因為越接近絕對零度,要達成更低溫度的難度大增,這種差異可能會明顯降低系統複雜性。

• 穩定性與耐用度:自旋量子位元維持相干的時間預計會比超導量子位元更長,所以在處理器層級便能更簡單的執行自旋量子位元供演算化使用。

• 實體大小:遠比超導量子位元更小,理論上 1 平方毫米的空間可放置十億個自旋量子位元。結合它們與傳統電晶體在結構上的相似性,自旋量子位元的這個特性,可能有助於將量子運算系統的規模擴充至估計數百萬個量子位元,這些都是生產系統最終需要用到的。

截至目前,研究人員已開發出使用 Intel 300 毫米製程技術的自旋量子位元晶圓製造流程,能夠在矽晶上製造小型的自旋量子位元陣列。事實上,QuTech 已經開始測試採用自旋量子位元的小規模量子電腦系統。作為公開分享軟體的根基,QuTech 也開發了 Quantum Technology Toolbox,這是用來執行自旋量子位元的測量與校正的 Python 套件。

量子電路的兩步驟排程方法

隨著擴充既有量子硬體規模的工作不斷進展,我們必須將量子閘排程以便盡量減少作業的次數。這項研究找到了量子電路閘極排程的兩步驟方法。

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合作關係

QuTech

QuTech 是一先進的量子運算與量子網際網路研究中心,這是 TU Delft 與 TNO 創立的合作機構。

CQIQC

Centre for Quantum Information and Quantum Counting 在這個快速演進的跨學科領域中促進研究合作。

University of Chicago

The Institute for Molecular Engineering 帶領工程研究與教育邁向新的方向,推動分子層級科學的創新應用。

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