简介

制造实用量子计算机的竞赛是当代最激动人心的技术前沿之一。量子计算机有望在药物发现、材料科学、金融建模和人工智能等领域释放出新的能力，其速度甚至比最强大的超级计算机还要快。

英特尔作为硅芯片制造领域的巨头，正在利用其数十年的经验，在这场竞赛中采取一种独特的方法。通过采用在单个芯片上制造数十亿个晶体管所使用的相同技术，英特尔正致力于以一定的规模和可靠性制造量子芯片，从而推动量子计算成为主流。

图 1：英特尔的 300 毫米硅自旋量子位晶圆

了解量子优势

要理解英特尔的方法，关键是要掌握经典计算与量子计算之间的根本区别：

• 经典比特： 经典计算机的构件是比特，可以代表 0 或 1。

  
  

• 量子比特（量子位）： 然而，量子比特可以同时存在于 0 和 1 的叠加中。这使得量子计算机可以同时进行多项计算，从而成倍地提高其潜在处理能力。

  
  

• 纠缠： 量子位还可以纠缠，这意味着一个量子位的状态与另一个量子位的状态有内在联系。这可以实现瞬时信息共享，是许多量子算法的基础。

  
  

英特尔的硅自旋量子比特战略

英特尔的方法以特定类型的量子比特（称为硅自旋量子比特）为中心。这种选择具有以下几个优势：

• 可扩展性： 硅自旋量子比特非常小，可以在与当前微处理器大小相当的芯片上安装数百万个量子比特。

• 制造协同效应： 自旋量子比特类似于晶体管，是传统芯片的组成部分。英特尔可以利用现有的制造基础设施来大规模生产它们。

• 可靠性： 成熟的制造工艺能够更好地控制量子比特的质量和一致性。

  
  

图 2：简化的硅量子比特晶体管截面图

从实验室到工厂： 英特尔的量子芯片

英特尔的 " Tunnel Falls "芯片是一12 量子位的硅芯片，是向前迈出的重要一步。它展示了该公司在 300 毫米晶圆（半导体制造中使用的标准尺寸）上制造和测试自旋量子位的能力。

英特尔量子芯片开发的主要方面包括：

• 高良品率： Tunnel Falls芯片的良品率高达 95%，证明了英特尔制造工艺的可靠性。

  
  

• 低温测试： 英特尔开发了专门的低温测试工具，用于在极低温度下评估单个量子比特，这对保持量子态很重要。

  
  

• 合作： 英特尔正积极与研究人员分享其量子芯片和软件开发工具包，以加速量子算法和应用的开发。

  
  

图 3：英特尔隧道式量子芯片（a）实际尺寸，b）放大细节，c）带封装

挑战与前路

虽然英特尔的方法有前途，但仍然存在重大挑战：

• Qubit 脆弱性： Qubit对环境干扰非常敏感，很容易失去量子态。英特尔的低温方法是一种解决方案，但在大规模应用中保持稳定性很重要。

  
  

• 纠错： 量子计算机容易出错。开发有效的纠错码是一个主要的研究领域。

  
  

• 算法开发： 编写能有效利用量子计算机独特性能的算法仍是一个新兴领域
  

量子未来

尽管存在这些挑战，但量子计算的潜力是不可否认的。如果英特尔能够继续利用其制造能力，制造出越来越复杂、越来越可靠的量子芯片，那么我们可能正处于量子革命的风口浪尖。

即将到来的实际应用

• 药物发现： 量子计算机可以模拟分子间的相互作用，从而大大加快新药的研发速度。

  
  

• 材料科学： 设计具有量身定制特性的新材料可以大大提高效率。

  
  

• 金融建模： 量子算法可以优化投资组合和风险评估。

  
  

• 人工智能： 量子机器学习算法可以解决经典计算机目前无法解决的复杂问题。

英特尔的量子计算方法植根于其对硅制造的深刻理解，为实现这些变革性应用提供了务实的途径。

虽然量子优势可能会成为头条新闻，但追求量子实用性-解决现实世界问题的能力-才是真正的计算革命。而在这一过程中，英特尔在硅领域的专业技术可能会成为决定性因素。