繼去年10月英特爾宣佈成功以現有矽半導體技術生產自旋量子計算芯片之後，當地時間6月15日，英特爾正式發佈瞭一款名為“Tunnel Falls”的矽自旋量子芯片，雖然隻有12量子比特（quantum bit），但這是英特爾嘗試開發出超越競爭對手計算硬件的關鍵一步。
據介紹，英特爾將於美國奧勒岡州的 D1 制造工廠利用其最先進半導體制造技術（例如EUV以及柵極和接觸處理技術）在300毫米晶圓上生產Tunnel Falls量子芯片。
英特爾量子硬件總監Jim Clarke表示：“Tunnel Falls 是英特爾迄今為止最先進的矽自旋量子比特芯片，它借鑒瞭公司數十年的晶體管設計和制造專業知識。新芯片的發佈是英特爾構建全棧商用量子計算系統長期戰略的下一步。雖然在容錯量子計算機的道路上仍然存在必須解決的基本問題和挑戰，但學術界現在可以探索這項技術並加速研究發展。”
基於自旋電子的量子芯片
我們都知道，當電荷打開或關閉調節電子流動的門的時候，標準的CPU會將其讀取為0或1。同樣的道理，原子中的電子除瞭以極高速度在核外空間運動之外，也還有自旋運動。電子有兩種不同方向的自旋，即順時針方向和逆時針方向的自旋，它決定瞭電子自旋角動量在外磁場方向上的分量，通常用向上和向下的箭頭來代表，即朝上代表正方向自旋電子，朝下代表逆方向自旋電子。英特爾的自旋量子芯片就是基於自旋電子的特性，而這裡的自旋量子數就是描述電子自旋運動狀態的量子數。
通過精確控制電子“朝上”或“朝下”自旋的特性，將這些朝相反方向旋轉的電子排列在薄膜等物質上，形成磁場，當你把自旋方向設定為“上”，將其定義為“1”，然後將其置於磁場中使方向改變180度，那麼它就從“1”變成瞭“0”；如果改變360度，那麼它就維持“1”不變。我們就得到瞭電子計算需要的“０”和“1”。這也使得自旋電子技術可以被應用到存儲和數據處理當中。
其實，自旋電子學誕生至今已經有二十多年。1997年國際商用機器公司就利用自旋電子學原理生產出瞭新型磁頭，正是這種磁頭使電腦硬盤的數據存儲量在過去幾年內提高瞭40倍。眾多的芯片制造商也認為，自旋電子學技術可以被用於下一代的計算芯片當中。
而基於自旋電子學原理構建出來的計算芯片，其運算速度將大大快於今天的半導體芯片，而且能耗極低，幾乎不發熱。因為在沒有恒定電源的情況下，自旋電子器件可以保持其磁性，這是傳統矽存儲器芯片仍然需要的。由於它們不需要恒定電源，因此自旋電子設備可以在超低功率水平下運行。與傳統的芯片相比，這些器件產生的熱量要少得多。
但是，基於自旋電子技術的芯片的納米級結構中不可避免的缺陷也將改變它們的動量，並且由於動量影響旋轉，電子的速度或軌跡的變化可以在它們被處理器讀取之前改變它們的預期自旋狀態，可能導致亂碼。另外，還需要使得電子的自旋方向必須能被輕易改變，又能在較長時間內穩定地保持這一方向。這也使得要研制出采用這種技術的計算芯片變得非常的困難。
不過，近年的研究發現，采用鉍氧化銦的材料來作為晶體材料，可以具有一組原子對稱性，可以將電子的旋轉固定在某個方向上，與其動量無關。而鉍氧化銦的原子對稱性也存在於其他晶體材料中，這也意味著通過新的晶體材料，工程師可以使用電壓來控制電子旋轉，而不必擔心缺陷如何會影響電子的動量。這也為基於自旋電子技術構建的量子計算芯片打開瞭大門。
英特爾的自旋量子技術佈局
早在2018年，英特爾在和加州大學伯克利分校的研究人員在《自然》雜志上發表的一篇論文中，就公佈瞭他們的自旋電子學研究進展。論文介紹一種結合瞭自旋電子技術的名為“磁電旋轉軌道”（MESO）的邏輯元件，采用瞭多鐵性材料（具有氧、鉍和鐵原子的晶格）和拓撲材料，提供有利的電磁屬性，以便可存儲信息和邏輯運算。
在這篇論文中，研究人員指出，他們已將多鐵電磁電開關所需的電壓從3伏降低到500毫伏，並預測應該可以將其降低到100毫伏。這隻相當於傳統CMOS晶體管所需電壓的五分之一到十分之一。較低的電壓意味著較低的能耗：將位從1切換為0的總能量將是CMOS所需能耗的十分之一到三十分之一。
同時研究人員還表示，相對於傳統的基於CMOS的處理器來說，基於MESO的處理器能夠提供10到100倍能效。因為他們無需激活即可保留信息，所以還可以在設備閑置時提供更加節能的睡眠模式。此外，基於MESO的邏輯運算速度也比CMOS高出五倍，延續瞭單位面積計算力提升的趨勢。
按照上面的數據換算來看，英特爾利用自旋電子技術可以在保持現有的CMOS芯片的性能下，將芯片尺寸縮小到目前尺寸大小的五分之一，並將降低能耗90-97%。
2022年10月，英特爾宣佈成功以現有矽半導體技術生產瞭其第二代自旋量子計算芯片。該芯片由美國俄勒岡州英特爾Ronler Acres晶體管研發單位Gordon Moore Park開發，是業界最大矽自旋量子運算芯片，量產芯片切出裸晶也表現高度均勻性，整個芯片良率有95%以上。這也正是此次發佈的矽自旋量子芯片Tunnel Falls的技術基礎。
當時，該矽自旋量子運算設備也使用專門設計的量子低溫探測器 Cryoprober 進行瞭測試，該設備在極低的溫度（1.7 開爾文或 -271.45 攝氏度）下運行，以保持量子比特的穩定性，從而使其可用於計算目的。測試確認該矽自旋量子運算設備可以穩定運行。
Tunnel Falls量產有何意義？
英特爾此次發佈的矽自旋量子芯片Tunnel Falls同樣也利用瞭先進的 CMOS 生產線，使得英特爾能夠使用創新的過程控制技術來實現產量和性能。
具體來說，具有12 量子位的Tunnel Falls芯片在300mm晶圓上的制造，可以實現95% 的晶圓良率和類似於 CMOS 邏輯工藝的電壓均勻性，每個晶圓生產出超過 24,000 個量子點器件。這些 12 量子點器件可以形成 4 到 12 個量子位，這些量子位可以被隔離並同時用於操作，具體取決於大學或實驗室如何運行其系統。
△Tunnel Falls是在300毫米晶圓上制造，利用英特爾最先進的晶體管制造能力，如極端紫外光刻(EUV)和先進的材料加工技術，使其成為一個單電子晶體管，並允許英特爾在對標準CMOS邏輯處理線進行很少改動的情況下，制造Tunnel Falls。
雖然在英特爾之前，不少廠商都推出瞭超過100量子比特的量子計算機，比如，IBM在2022 年 11 月的IBM 量子峰會上就發佈瞭一款400+ 量子比特的量子處理器Osprey，其包含瞭433個稱為transmon的量子位，它們本質上是超導諧振器，可以存儲 0 或 1 個微波光子。可以通過從處理器外部向它們施加不同頻率的微波脈沖來操縱這些量子位。這款量子芯片雖然也是使用瞭傳統CMOS工藝中所謂的後端佈線相同的技術，然而所有這些技術都必須修改為使用低溫超導金屬。
據IBM 的物理學傢兼首席量子硬件架構師 Oliver Dial介紹，“向IBM的量子處理器輸送微波信號的電纜是一個特別的問題，因為大多數導電良好的東西也會導熱，從而損害我們冰箱的絕緣性能。為瞭解決這個問題，我們的Eagle處理器（之前IBM已推出的127量子位的處理器）使用瞭600多條電纜，每條電纜都是手工組裝、佈線和測試。在Osprey中，我們用使用標準印刷電路板技術制作的柔性帶狀電纜取代瞭大部分這些電纜。這些電纜中的每一條都取代瞭許多單獨的電纜、連接器和組件簡化瞭我們的設計，從而提高瞭處理器的可靠性。”即便如此，IBM的量子處理器制造依然非常復雜。
△IBM 433量子比特處理器Osprey
英特爾的Tunnel Falls雖然隻有12個量子比特，但是得益於其所采用的矽自旋量子技術，使得其每個量子比特可以做的足夠小，並隻需要對標準CMOS邏輯處理線進行很少改動的情況下就能夠大批量且相對低成本的生產，這也意味著未來英特爾能夠將更多的量子比特集成到一顆芯片當中，並且能夠省去瞭在多個量子芯片上糾纏硬件的需求。相比之下，目前大多數其他量子芯片生產努力一次隻能制造一個。
△Tunnel Falls的板級設計的也非常簡單
△Tunnel Falls的板級設計局部放大
英特爾量子硬件總監Jim Clarke表示，他對英特爾公司的制造能力有足夠的信心，他預計到2027年，英特爾能夠推出擁有數千個足以糾錯的量子比特的量子芯片。
接下來，英特爾還將不斷努力提高 Tunnel Falls 的性能，並通過英特爾量子軟件開發套件 (SDK) 將其集成到其完整的量子堆棧中。此外，英特爾已經在開發基於 Tunnel Falls 的下一代量子芯片，預計2024年發佈。
在生態建設方面，英特爾已經將 Tunnel Falls 芯片提供給量子研究社區。此外，英特爾還與馬裡蘭大學物理科學實驗室 (Laboratory for Physical Sciences，LPS)、帕克學院量子位合作實驗室 (LQC) 以及國傢級量子信息科學 (QIS) 研究中心合作，以推進量子計算研究。未來，英特爾計劃與全球更多的研究機構合作，共建量子生態系統。
編輯：芯智訊-浪客劍
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