如同“跑车堵在车流中” 英特尔认为实现量子实用性仍有四大挑战

比“超级计算机”还快的是什么？在诸多新技术里，量子计算显然是一个有力的竞争者。

量子计算可以带来极高的计算速度、非常灵敏的探测器，并且创建牢不可破的加密功能来保护重要的数字信息，它不同于当前数据中心、云环境、PC和其他设备中的数字计算，是一种突破传统计算“禁区”的全新计算模式。

“50个纠缠的量子位所获得的状态数量就将超过任何超级计算机，如果我们有 300 个纠缠的量子位，同时表示的状态比宇宙中原子的数量还要多。”12月4日，英特尔研究院量子应用与架构总监Anne Matsuura在英特尔研究院举行的线上开放日上表示，量子计算应用的范围广泛，包括设计药物、模拟自然环境来推进化学、材料科学和分子建模等领域的科研工作。

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。但从实际情况来看，真正实现量子应用落地还需要时间。

“量子计算使用量子位，然而量子位非常脆弱，目前仅仅有 100 个量子位甚至数千个量子位，还没有办法造一台商用级量子计算机，我们需要至少数百万个量子位，并且解决四大挑战。”Anne表示，第一个挑战在于如何提升量子位的质量和并测试时间。

“扩展量子的挑战在于如何批量生产高质量量子位。小型量子计算系统中所使用的量子位，其质量对于商用级量子系统来说是远远不够的。业内需要寿命足够长、相互之间连接性足够强的量子位，以便扩展至包含数百万量子位的商用级量子计算机，能够在实际的应用领域执行有效的量子程序或量子算法。”Anne表示，目前英特尔正在尝试使用量子低温探测仪（cryoprober），帮助在工厂的 CMOS 晶圆上快速测试量子位。

量子计算面对的第二个挑战是量子位控制。当前，量子位主要由许多机架（rack）的控制电路进行控制，这些电路通过复杂的布线连接至量子位，并且被放置在低温冰箱中，以防止热噪声和电噪声影响脆弱的量子位。对于商用级量子计算系统，需要将数百万根导线引入量子位室（qubit chamber）。

为此，英特尔推出了第二代低温控制芯片Horse Ridge II，以突破量子计算在可扩展性方面的瓶颈，该芯片拥有可以操纵和读取量子位状态的能力。

英特尔研究院组件研究事业部量子硬件总监Jim Clarke表示：“仅仅增加量子位的数量而不解决由此产生的布线复杂性，这就好比拥有一辆跑车，但总是堵在车流中，英特尔采用支持可扩展互连的低温量子位控制芯片技术能够提高保真度，降低功率输出，朝着‘无堵车’的集成量子电路发展再向前迈进一步。”

第三个挑战是纠错。全面纠错需要数十个量子位形成一个逻辑量子位，构建商用级量子系统需要数百万个量子位。在这一期间，需要抗噪量子算法和错误抑制的技术，以帮助在小型量子位系统上运行这些算法。

第四个挑战则在于量子计算是一种全新的计算类型，运行程序的方式完全不同，因此需要开发量子专用的软件、硬件和应用。Anne 表示，这意味着从应用、编译器、量子位控制处理器、控制电路，到量子位芯片器件，量子计算的整个堆栈都需要采用全新组件。

英特尔表示，目前正在与荷兰代尔夫特理工大学、TNO Delft等开展量子计算方面的研究合作，以联合构建更高质量的量子位来应对挑战。