在過去十年中,發(fā)展量子計算機(jī)的努力發(fā)生了爆炸性的爆炸,這種計算機(jī)可以通過指數(shù)式地加速某些計算領(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)計算出最快的經(jīng)典超級計算機(jī)需要幾千年才能完成。
雖然這種演示無疑標(biāo)志著技術(shù)上的一個里程碑,但以難以想象的速度完成的任務(wù)并不一定是量子計算機(jī)短期商業(yè)化的前奏。為了確保量子技術(shù)在未來10年中的持續(xù)發(fā)展,量子計算硬件需要材料和制造工藝的進(jìn)步,其路徑類似于無休止的晶體管技術(shù),這種技術(shù)使古典計算得以發(fā)展。
換句話說,與其專注于量子至上論,不如展示"量子實用性"--一種更現(xiàn)實的量子技術(shù)從實驗室到商業(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)實驗室等工業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴的幫助下采用這種務(wù)實的方法的。
量子計算機(jī)如何工作
一種傳統(tǒng)的數(shù)字計算機(jī)編碼二進(jìn)制信息的比特可以是兩個狀態(tài)中的一個:0和1;因此,一個四位計算機(jī)寄存器可以容納兩個狀態(tài)中的任何一個。 4 或者16個可能的數(shù)字。量子計算機(jī)處理存在于 疊加 由0和1值組成;因此,例如,一個4比特計算機(jī)寄存器可以同時處理16個不同的數(shù)字。
英特爾量子實驗室主任吉姆·克拉克告訴《歐洲電子時報》雜志說，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，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)我們傳遞了一個旋轉(zhuǎn)力來使硬幣在一個表面上旋轉(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，硬幣才會返回這兩種狀態(tài)中的一種。這個類比僅限于此為止，因為量子計算機(jī)處理的物體不是宏觀的，而是屬于原子或粒子的領(lǐng)域。
量子計算機(jī)能夠并行地操作更多的值,這使得它比數(shù)字計算機(jī)強(qiáng)大得多。例如,量子計算機(jī)處理 只 30比特可與能夠運(yùn)行10萬億(10×10)的數(shù)字計算機(jī)相比。 12 )每秒浮點運(yùn)算。為了解決實際問題,需要數(shù)百萬個甚至數(shù)十億個量子位,這一目標(biāo)可以通過充分利用成熟的硅芯片制造業(yè)的好處來實現(xiàn),英特爾就是這樣做的。
糾纏 使兩個或多個量子位變得緊密相關(guān)的量子屬性,使一個量子位的狀態(tài)不能獨立于其伙伴的狀態(tài)來描述。這種相互依存性允許糾纏的量子位位之間即時的信息共享,這反過來又允許專用的算法實現(xiàn)更快和更有效的解決問題。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 ,因為一個量子態(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)兩個或多個量子態(tài)結(jié)合起來創(chuàng)造一個新的態(tài)時,就會產(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誤結(jié)果的可能性。因此,量子計算機(jī)可以快速地探索潛在的解決方案,與經(jīng)典計算機(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。 量子位可以通過利用電磁場或激光捕獲離子,并利用離子的內(nèi)部能量水平作為量子位態(tài)來創(chuàng)造。
· 硅旋轉(zhuǎn)量子位 .與傳統(tǒng)的計算機(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)中心是一個例子,它是一個與空晶格站點相鄰的替代氮原子。
· 拓?fù)浔Ｗo(hù) 配額位 以奇異的亞原子粒子為代表,對某些類型的噪音和誤差是堅固的 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在系統(tǒng)拓?fù)鋵傩灾械氖聦?即:,全球范圍),而不是單個粒子(當(dāng)?shù)?。
英特爾的硅旋轉(zhuǎn)量子
英特爾擊敗競爭對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)十億個晶體管壓縮到由300mm晶圓片制成的經(jīng)典計算機(jī)芯片上,而英特爾也在打賭,同樣的技術(shù)可以被復(fù)制來建立一個足以解決現(xiàn)實應(yīng)用問題的量子計算機(jī)。這種方法是可行的,因為硅旋轉(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型的密度更大,使更復(fù)雜的量子計算機(jī)能夠在單個芯片上實現(xiàn)。英特爾采用的制造方法是利用極端紫外線光刻技術(shù),這與今天計算機(jī)工業(yè)制造大容量芯片常用的設(shè)備相同。
要實現(xiàn)具有數(shù)百萬個統(tǒng)一和一致的錯誤校正量子位的容錯量子計算機(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)場地上運(yùn)行。英特爾指出,它運(yùn)送約800萬億的晶圓(800x10) 15 )晶體管。按這個速度,到2025年,這個值將超過地球上所有人類的細(xì)胞總數(shù)。
硅旋轉(zhuǎn)量子位的優(yōu)點
大多數(shù)經(jīng)典計算機(jī)芯片中的晶體管有三個終端:門(G)、源(S)和漏(D)。在G上應(yīng)用控制電壓后,就會產(chǎn)生一個電子通道,使電流能夠在D和S之間流動,就像開關(guān)一樣。旋轉(zhuǎn)量子位具有類似的晶體管結(jié)構(gòu),但具有多個閘門。 障礙物 在一個小島上,蓋茨用來中斷通道并限制電子。 量子點 .通過正確控制施加于另一種閘門的電壓,被稱為 跳槽者 門,可以將量子點上的電子掃走,直到只剩下一個電子。它的固有角動量(或旋轉(zhuǎn),量子數(shù)之一) 孤獨的 然后可以用電子作為一個量子位。
在經(jīng)典物理學(xué)中,帶電荷的旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生磁場.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)并不直接對應(yīng)。電子旋轉(zhuǎn)是量子化的,只能假設(shè)兩個值:向上方向的半和相反方向的----。兩個值中的一個值,可以通過 塞曼影響并表示硅旋轉(zhuǎn)量子位的兩個量子態(tài)。而且,通過仔細(xì)控制這個電子,這兩個狀態(tài)可以放在一個疊加的配置。英特爾的克拉克說:"如果我們有一個單電子晶體管鏈,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,從而使兩個電子相互糾纏。"這些是構(gòu)建量子計算機(jī)的基本元素。
量子比特的內(nèi)在脆弱性仍然是一個問題,因為量子比特在對熱變化、噪音或振動的反應(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進(jìn)出冰箱。
英特爾說,通過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倍--并將數(shù)百萬甚至數(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完整的商業(yè)量子計算系統(tǒng),量子研究和學(xué)術(shù)界可以利用,因為它缺乏大容量的制造機(jī)械。克拉克說,通過訪問英特爾的量子軟件開發(fā)工具包,訪問隧道瀑布是實現(xiàn)量子計算研究民主化的切實努力。
同時,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邏輯過程相似,每個晶圓提供了24,000多個量子點器件。每個12位芯片都可以形成4到12個量子位,它們可以隔離并同時用于操作,這取決于研究實驗室如何操作其系統(tǒng)。
濕法測試和單電子控制
探測和測試晶圓片上的每個量子模具是一項巨大的努力,因為旋轉(zhuǎn)量子比特設(shè)備必須沉浸在一個受控制的低溫環(huán)境中。據(jù)最近的報告英特爾研究人員在《自然》雜志上公布了一個300毫米的低溫探測程序,用于收集整個晶圓片上的高容量數(shù)據(jù),從而產(chǎn)生無與倫比的均勻性、準(zhǔn)確度和旋轉(zhuǎn)量子位的測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)--這些都是持續(xù)規(guī)模化和生產(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)中的量子點單電子器件達(dá)到了99.9%的保真度。此外,在沃夫低溫測試工具的好處,通過允許更多的擴(kuò)展自動測量跨晶圓。英特爾表示,測試能力的進(jìn)步也將使設(shè)計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。
低溫探測器可以在大約兩小時內(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,成千上萬的旋轉(zhuǎn)量子位陣列和測試模式可用于測量。測試模式是設(shè)計用來模擬完整設(shè)備的子組件的微小結(jié)構(gòu),有助于識別和糾正制造流程的具體過程步驟中的缺陷。
利用大體積晶體管的制造方法,將量子點與平面結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,獲得了更高的收益率。在優(yōu)化的設(shè)備版本中,兩層集成為被動門--一個用于控制電荷積累,另一個用于篩選/電荷消耗。然后,通過高雙電常數(shù)(高K)復(fù)合堆棧將閘門電極從異質(zhì)結(jié)構(gòu)中分離出來,而相鄰閘門的隔離則通過 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幾個量子位編碼的適用性。
與CMOS邏輯過程中的情況一樣,增加量子處理器的規(guī)模需要增加量子比特的產(chǎn)量。為了評估這種特殊流的產(chǎn)量,英特爾的研究人員在一個晶圓片上測試了12量子點的設(shè)備。他們計算了諸如歐姆觸點、閘門、量子點和全12QD器件等單個元件的產(chǎn)率。該測試方法的結(jié)果指導(dǎo)了設(shè)計人員優(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)點兼容。
低溫檢測具有高容量能力,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?；靵y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)定了一個基準(zhǔn),目的是在未來準(zhǔn)備更大更復(fù)雜的陣列。
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