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量子計算機的產業化路程

  • 林育中

Intel去年底發布的Horse Ridge晶片,展示了其在量子計算發展方向與實施策略。Intel

Intel去年底發布了一款晶片Horse Ridge,並於今年ISSCC詳細討論晶片的規格。這是一款以Intel 22nm FFL (FinFET Low power) CMOS製程製作的晶片,用於量子位元的控制。這個晶片的特性充分展示了Intel在量子計算發展方向與實施策略。

這個晶片主要由數位核心、SRAM、類比以及RF線路所構成。其中RF線路是為控制量子位元設計的,頻率在2~20 GHz之間。共有4個RF通道,使用分頻多重進接(FDMA;Frequency Division Multiplex Access),每個頻道可以控制32個量子位元,總共可以控制128個量子位元。控制RF波型的資訊則儲存在SRAM中,參照查找表(look up table)可以快速處理。

Horse Ridge晶片工作的溫度為3oK,雖然還是低溫,但是與超導體量子位元所需維持的20mK已有天壤之別:前者低溫冷凍櫃抽取熱量的功率為數W,後者為mW,效率高多了。

從這個晶片的設計可以看出一些Intel在量子計算的用心。它的RF元件工作頻率在2~20GHz之間,超導體量子位元的操控頻率在6~7GHz之間,而自旋量子點的控制頻率為13~20GHz之間,這意味著Horse Ridge適用於至少兩種以上的量子點。這不單只是為Intel量子點量子位元技術量身定製設計的晶片,而是志在於通用界面!如果發軔得早、也被認可,就在量子計算機的系統整合中取得一個關鍵位置。

而且Intel的量子計算機可相互糾纏量子位元數目前只有2個,但是Horse Ridge可控制的量子位元數為128,這是預先部署,對於目前世界上所有量子計算機都夠用,至少還留有一年的前置量。

再加上Intel之前在IEDM發表的低溫晶圓探測機(cryogenic wafer prober),Intel的策略非常明顯—以鄉村包圍城市。量子位元固然是目前研發的重點,而Intel所研究的量子位元是矽基的,為其所擅長,而且未來在量子位元數的擴充可以藉半導體的微縮技術迅速發展。但目前量子點量子位元發展技術還落後於超導體、離子陷阱等技術,所以先在週邊和系統整合下工夫,佔位置。那些以鋁架支撐的凌亂導線以及離散零件終究要變成晶片上積體線路的。

另外,Intel在開發Horse Rudge晶片時與Qu Tech合作。Qu Tech是一家原先有多種量子點技術的公司,目前專注在超導體量子位元。這說明了即使只是要開發週邊線路,對於量子位元的技術不能完全不沾手!

IBM的量子計算機採用超導體量子位元,目前有53個量子位元,是在競賽的領先群中,所以其產業化的步伐就更快了。除了開放其量子位元數較低的量子計算機供一般大眾體驗量子計算外,並在全世界廣設IBM-Q Hub,供學術或商業使用。其所用的量子計算開源架構Qiskit以及其中的工具也推廣、教育給一般大眾,這是標凖產業化的前驅動作。

最值得一提的是IBM訂了一個quantum volume每年倍增的計劃。quantum volume大概是量子位元數乘以在其上可以量子操作的次數(量子位元上的量子態能維持相干的時間有限,所以能在其上執行運算的次數也有限),這是一個意義重大的科技發展路標,聽起來像不像摩爾定律?記得當初摩爾定律正是由Intel創辦人摩爾提出的經驗曲線,因為它成功的同步了半導體市場及週邊產業的期望,變成了一個自我實現預言(self-fulfilling prophecy),成就了Intel在半導體業數十年的霸業,而這正是量子電腦領先群中IBM心中的盤算。

Intel與IBM都是產業界的巨擘,也都有在產業界長時間執牛耳的經驗,對於怎樣在初發的領域中布局乃至於成就都有過豐富的經驗,他們的專長也與台灣相似,他們的策略是不是值得借鏡?

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。