英特尔研究院一直在与 QuTech 联手推进量子硬件和软件生态系统的研究，力图在未来实现量子计算机的商业应用。而整个行业在商业规模量子计算领域所面临挑战中，互连和控制电子设备是其中主要瓶颈。
构建容错型商业规模量子计算机，需要一个同时适用于量子位和控制电子设备的可扩展架构。Horse Ridge 是一款高度集成的片上系统（SoC），提供了一个巧妙的解决方案来实现对多个量子位的高保真度控制，这是通往量子实用性的一个重要里程碑。
Horse Ridge 特性
- Horse Ridge 是一款高度集成、混合信号的低温片上系统（SoC），硅片面积为 4 x 4 mm2，采用英特尔 22nm FFL （FinFET低功耗）CMOS 技术。Horse Ridge 将静态随机存取存储器（SRAM）、数字核心和模拟/射频（RF）电路集成到单个封装中，用微波脉冲操纵量子系统中量子位的状态。
- 集成式高速数模转换器和宽带上变频器，频率在 2-20 千兆赫（Ghz）之间。
- 脉冲整形的幅度和相位调制信息（18Gb/s）存储在片上 SRAM 中，支持最高 41μs 的包络，该包络由查找表（LUT）提供信息，该表可为每个量子位定义 8 条指令。
- 利用 LUT 降低了控制器所需的数据速率，通过在外部触发器上执行集成可编程指令集，在指令之间延迟最小的情况下，数据速率进一步降低到约 1kb/s。
- Horse Ridge 在同一个设备中有 4 个射频（RF）频道，并利用频率复用控制多达 128 个量子位。每一个射频频道均使用直接数字合成，带有 32 个数控振荡器，以 200 Hz 的高精度产生 32 个复用量子位频率。
Horse Ridge 关键优势
- 缩小了运行量子系统所需的外形尺寸（芯片和 PCB 大小）并减少了所需的功率。
- 能够扩展和控制更多的量子位（多达 128 个量子位）
- Horse Ridge 高度灵活的脉冲控制能力降低了量子位之间的串扰，并提高了整体量子门保真度。
- 该芯片可以自动校正相移（使用同一射频线路控制不同频率的多个量子位时会发生这一现象），并在每次控制电子器件脉冲后更新数字代码。
|
|
ISSCC’20 | ISSCC’19 | RSI’17 | 自旋量子位设置 |
| 运行温度 | 3K | 3K | 300 K | 300 K |
| 量子位平台 | 自旋量子位+传输子 | 传输子 | 传输子 | 自旋量子位 |
| 量子位频率 | 2-20 gHz | 4-8 gHz | < 20 gHz | |
| 频道 | 128 (32 per TX)
128 (32/TX) |
1 | 4 | 1 |
| FDMA | 是，SSB | 否 | 是，SSB | 否 |
| 数据带宽 | 1 gHz | 400 gHz | 960 MHz | 520 MHz |
| 影像/本振泄露校正 | 片上 | 片下 | 是 | |
| 相位纠偏 | 是 | 否 | 否 | 否 |
| 保真度 | 99.99% | – | – | – |
| 波形/指令 | 高达 40960 pts AWG | 固定 22 pts
对称型 |
16M pts AWG | |
| 指令集 | 是 | 否 | 是 | 是 |
| 功率/ TX | 模拟：1.7 mW/qubit*
数字：330 mW‡ |
模拟：<2 mW/qubit*
数字：N/A |
850W | |
| 芯片面积TX | 4 mm2 | 1.6 mm2 | 分立式 | 机架式 |
| 技术 | 英特尔 22nm FFL CMOS | 28 nm bulk CMOS | 分立元件 |
机架式 |
对比表
*包含本振/时钟驱动器，仅低射频激活
#未提及所包含的电路
‡可通过门控时钟减少
[ISSCC’19] J. C. Bardin 等人，“A 28nm Bulk-CMOS 4-to-8GHz <2mW Cryogenic Pulse Modulator
for Scalable Quantum Computing,” ISSCC数字技术研究报告，第 456-458 页，2019 年。
[RSI’17] C. A. Ryan, B. R. Johnson, D. Ristè, B. Donovan 和 T. A. Ohki，“Hardware for
dynamic quantum computing,” Rev. Sci. Instrum., 2017 年。