英特尔挖掘量子计算中硅自旋量子位的潜力

量子计算被认为有潜力解决当今传统计算机无法胜任的问题。科学家以及各行各业都期待量子计算能够加速化学或药物开发、金融建模，甚至气候预测等领域的发展。

英特尔公司在其300毫米制程技术上创造了一个自旋量子位，使用的是类似的同位素纯晶圆。（图片来源：Walden Kirsch/英特尔公司）

为了释放量子计算的潜力，英特尔在2015年启动了一个合作研究项目，其目标是开发商业上可行的量子计算系统。

虽然已经取得了巨大的进展，但是量子计算研究仍然处于萌芽阶段。整个行业还处于马拉松的第一公里，为了实现这个新的计算模式，必须解决很多问题，并做出许多架构方面的决策。例如，现在还不清楚量子处理器（或量子位）会采用哪种形式。这就是为何英特尔要押注两个重大研究，并对它们同等的投资。

一种可能的形式就是超导量子位，英特尔在开发这类测试芯片中取得快速进展，行业和学术界的其它厂商和机构也在追求这种方案。此外，英特尔还在研究另一种替代结构，利用公司所具备的世界一流硅晶体管制造的专长。这种替代架构被称作“自旋量子位”，其在硅片上运行，可以克服一些量子计算从研究到实用的障碍。

自旋量子位是什么？

自旋量子位与我们现在已知的半导体电子和晶体管高度相似。它们充分利用芯片设备上的一个电子自旋并用微小的微波脉冲来控制运动，从而释放其量子能量。

电子可以向不同的方向自旋。当电子向上自旋时，数据表示二进位数值1。当电子向下自旋时，数据表示二进位数值为0。但是，类似于超导量子位的运作方式，这些电子也存在“叠加”，也就是说，它们有可能同时向上、向下自旋，在这一过程中，理论上它们可以并行处理巨大的数据集，并且比经典计算机要快得多。

为何要研究自旋量子位？

在量子计算实现商用之前，研究人员必须克服的一个挑战就是量子位脆弱的本质。任何噪声或无意的观测都会造成数据丢失。这种脆弱性需要它们在极冷的温度下操作，这为芯片本身的材质设计以及使其运行所必需的控制电子元件带来了挑战。超导量子位非常庞大，它们在一个55加仑圆桶大小的系统中运行，这使其难以把量子系统的设计扩展到开发真正商用系统所需的数百个万量子位的规模。

与超导量子位相比，自旋量子位在解决这些挑战方面具备一些优势：

它们小而强大：自旋量子位的实际尺寸小得多，它们的相干时间预计也长得多——如果研究人员的目标是把该系统扩展到商用系统所需的数百万个量子位，那么这就是一个优势。

它们能够在较高的温度下运行：相对于超导量子位，硅自旋量子位可以在较高的温度下运行（1开尔文，而不是20毫开尔文）。通过把控制电子元件集成放在更靠近处理器的位置，这可以大大降低运行芯片所需系统的复杂性。英特尔和学术研究合作伙伴QuTech*正在探索自旋量子位在更高温度下运行，并获得有趣的成果，自旋量子位比超导量子位的运行温度最多高1K（或热50倍）。团队计划将在3月的美国物理学会¹（APS）大会上分享这一成果。

英特尔制造秘诀：自旋量子位处理器的设计非常类似于传统硅晶体管技术。尽管扩展该技术还面临着关键的科学和工程挑战，但凭借几十年来大规模制造晶体管的经验，英特尔拥有出色的设备和基础设施。

自旋量子位研究的现状如何？

在今年2月份举行的美国科学促进会²（AAAS）年会上，QuTech展示了其开发两个量子位自旋量子计算机的成果，该计算机可进行编程，来执行两个简单的量子算法。这一发展为规模更大、能应对更复杂应用的自旋处理器铺平了道路。更多信息可参考2月14日出版的《自然》杂志文章。

此外，英特尔还在其300毫米制程技术上发明了自旋量子位制造流程，采用专门用于生产自旋量子位测试芯片的同位素纯晶圆,并能和英特尔先进的晶体管技术一样，在同一个设施中制造。英特尔正在测试其初始晶圆，在几个月的时间里，英特尔预计每周将生产许多晶圆，每个晶圆都有数千个小量子位阵列。

未来，英特尔和QuTech将在整个量子系统或“栈”上继续探索超导和自旋量子位，从量子位设备到控制这些设备以及量子应用所需的硬件和软件架构。所有这些元素都是推动量子计算从研究变为现实的关键。