量子计算硬件的四大挑战

树上的大熊

                                        转发：近日，IEEE Spectrum网站特邀英特尔实验室量子硬件总监James S. Clarke为本周的2022年IEEE量子周撰文——《从量子计算的炒作中理清事实真相》[1]。

英特尔工程师正在努力加速量子计算发展
全文翻译如下（仅代表编辑观点）：
很少有领域像量子计算一样招致肆无忌惮的炒作。大多数人对量子物理的理解延伸到了它是不可预测的、强大的、几乎是存在性的奇怪事实。2019年，我向IEEE Spectrum提供了一份关于量子计算状况的最新资料，并看了整个行业的积极和消极主张。就像那时一样，我今天仍然保持着热情的乐观态度。尽管炒作是真实的，并且已经超过了实际结果；但在过去几年中，量子领域也取得了很多成就。
首先，让大家来谈谈炒作的问题。
在过去的五年里，围绕着量子计算有不可否认的炒作。围绕着方法、时间表、应用等等的炒作。早在2017年，供应商就宣称该技术的商业化只需几年时间，比如，宣布到2020年建立一个5000比特的系统（这并没有发生）。甚至出现了我称之为“反炒作”的情况，一些人质疑量子计算机是否会实现（我希翼他们最终是错的）。
最近，一些企业已经将他们的时间表从几年调整到十年，但他们继续发布路线图，显示商业上可行的系统最早在2029年。而这些由炒作推动的希望正在制度化。美国国土安全部甚至发布了一个路线图，以防止量子计算的威胁，努力帮助机构过渡到新的安全系统。这为量子计算应用和后量子密码安全创造了一种“不采用就会落后”的心态。
市场研究企业Gartner（以“炒作周期”[2]闻名）认为，量子计算可能已经达到了炒作的顶峰，或其五阶段增长模式的第二阶段。这意味着该行业即将进入一个名为“幻灭的低谷”的阶段。根据麦肯锡企业的说法：“根据已公布的基于门的量子计算玩家的硬件路线图，容错量子计算有望在2025年至2030年之间实现。”我认为这并不完全现实，因为大家仍然有一个漫长的旅程来实现量子实用性——量子计算机可以做一些独特的事情来改变大家的生活。
在我看来，量子实用性可能还需要10到15年的时间。然而，朝着这个目标的进展不仅仅是稳定的：它正在加速。这与大家看到的摩尔定律和半导体进化是一样的。大家发现的越多，将走得越快。半导体技术花了几十年的时间发展到目前的状态，每次都在加速发展。大家希望量子计算也有类似的进步。
事实上，大家发现，大家在英特尔设计晶体管时学到的东西也有助于加快大家今天的量子计算开发工作[3]。例如，在开发硅自旋量子比特时，大家能够利用现有的晶体管制造基础设施来确保质量并加快制造速度。大家已经开始在一个大批量制造厂的300毫米硅晶圆上大规模生产量子比特，这使大家能够在一块晶圆上部署超过10000个量子点的阵列。大家还利用大家在半导体方面的经验，创建了一个低温量子控制芯片，称为“Horse Ridge”，这有助于解决与量子计算相关的互连挑战，因为它消除了今天挤在稀释制冷机中的许多电缆。而大家在测试半导体方面的经验促成了低温探针的开发，它使大家的团队能够在数小时内获得量子设备的测试结果，而不是像以前那样需要几天或几周。

Horse Ridge低温控制芯片
其他人可能也从他们自己之前的研究和经验中受益。例如，Quantinuum最近的研究表明，在一个使用实时量子纠错的容错电路中实现逻辑量子比特的纠缠。虽然仍然很原始，但它是这个关键领域所需的进展类型的一个例子。就其本身而言，GOOGLE有一个新的开源库，名为Cirq，用于量子计算机编程。与IBM、英特尔和其他企业的类似库一起，Cirq正在帮助推动改进量子算法的发展。最后，IBM的127量子比特处理器——Eagle，显示了在提高量子比特数量方面的稳步进展。
也有一些关键的挑战仍然存在。
首先，大家仍然需要更好的设备、高质量的量子比特。虽然最好的单量子比特门和双量子比特门达到了所需的容错门槛，但还没有在一个更大的系统上实现这一目标。
第二，大家还没有看到有人提出量子计算机的互连技术：其重要程度不亚于大家今天给微处理器布线的方式。现在，每个量子比特需要多条控制线；在创造大规模量子计算机时，这种方法是站不住脚的。
第三，大家需要快速的量子比特控制和反馈环路。Horse Ridge是这方面的先驱，因为大家希望通过将控制芯片放在制冷机里，从而更接近量子比特芯片来改善延迟。
最后是纠错。虽然最近有一些迹象表明在纠正和缓解方面取得了进展，但还没有人在一大群量子比特上运行一个错误纠正算法。
随着新的研究定期显示新的方法和进展，这些都是大家将克服的挑战。例如，许多业内人士正在研究如何将量子比特和控制器集成在同一个芯片上，以创建量子系统芯片（SoC）。
但大家离拥有一台容错的量子计算机还有相当长的一段距离。在未来10年里，英特尔预计在量子比特数量和性能方面具有竞争力（或领先于其他企业），但正如我之前所说，一个足以提供令人信服的价值的系统将在10至15年内由任何人实现。该行业需要继续其在量子比特数量和质量上的发展；在此之后，下一个里程碑应该是生产数千个高质量的量子比特（仍然需要几年时间），然后将其扩展到数百万。
要知道GOOGLE花了53个量子比特来创建一个可以完成超级计算机功能的应用程序。如果大家想探索超越今天的超级计算机的新应用，大家将需要看到更大数量级的系统规模。
量子计算在过去五年中取得了长足的进步，但大家仍有很长的路要走，投资者将需要为其提供长期资金。实验室里正在发生重大的发展，它们为未来可能发生的事情展示了巨大的前景。就目前而言，重要的是大家不要被炒作所迷惑，而要专注于真正的成果。
参考链接：
[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
来自：光子盒