繼去年10月英特爾宣布成功以現有矽半導體技術生産自旋量子計算晶片之後，當地時間6月15日，英特爾正式釋出了一款名為“Tunnel Falls”的矽自旋量子晶片，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争對手計算硬體的關鍵一步。
據介紹，英特爾将于美國奧勒岡州的 D1 制造工廠利用其最先進半導體制造技術（例如EUV以及栅極和接觸處理技術）在300毫米晶圓上生産Tunnel Falls量子晶片。
英特爾量子硬體總監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晶片，它借鑒了公司數十年的半導體設計和制造專業知識。新晶片的釋出是英特爾建構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并加速研究發展。”
基于自旋電子的量子晶片
我們都知道，當電荷打開或關閉調節電子流動的門的時候，标準的CPU會将其讀取為0或1。同樣的道理，原子中的電子除了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，它決定了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。英特爾的自旋量子晶片就是基于自旋電子的特性，而這裡的自旋量子數就是描述電子自旋運動狀态的量子數。
通過精确控制電子“朝上”或“朝下”自旋的特性，将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”，将其定義為“1”，然後将其置于磁場中使方向改變180度，那麼它就從“1”變成了“0”；如果改變360度，那麼它就維持“1”不變。我們就得到了電子計算需要的“０”和“1”。這也使得自旋電子技術可以被應用到存儲和資料處理當中。
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産出了新型磁頭，正是這種磁頭使電腦硬碟的資料存儲量在過去幾年内提高了40倍。衆多的晶片制造商也認為，自旋電子學技術可以被用于下一代的計算晶片當中。
而基于自旋電子學原理建構出來的計算晶片，其運算速度将大大快于今天的半導體晶片，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，這是傳統矽存儲器晶片仍然需要的。由于它們不需要恒定電源，是以自旋電子裝置可以在超低功率水準下運作。與傳統的晶片相比，這些器件産生的熱量要少得多。
但是，基于自旋電子技術的晶片的納米級結構中不可避免的缺陷也将改變它們的動量，并且由于動量影響旋轉，電子的速度或軌迹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态，可能導緻亂碼。另外，還需要使得電子的自旋方向必須能被輕易改變，又能在較長時間内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晶片變得非常的困難。
不過，近年的研究發現，采用铋氧化铟的材料來作為晶體材料，可以具有一組原子對稱性，可以将電子的旋轉固定在某個方向上，與其動量無關。而铋氧化铟的原子對稱性也存在于其他晶體材料中，這也意味着通過新的晶體材料，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。這也為基于自旋電子技術建構的量子計算晶片打開了大門。
英特爾的自旋量子技術布局
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，就公布了他們的自旋電子學研究進展。論文介紹一種結合了自旋電子技術的名為“磁電旋轉軌道”（MESO）的邏輯元件，采用了多鐵性材料（具有氧、铋和鐵原子的晶格）和拓撲材料，提供有利的電磁屬性，以便可存儲資訊和邏輯運算。
在這篇論文中，研究人員指出，他們已将多鐵電磁電開關所需的電壓從3伏降低到500毫伏，并預測應該可以将其降低到100毫伏。這隻相當于傳統CMOS半導體所需電壓的五分之一到十分之一。較低的電壓意味着較低的能耗：将位從1切換為0的總能量将是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，相對于傳統的基于CMOS的處理器來說，基于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資訊，是以還可以在裝置閑置時提供更加節能的睡眠模式。此外，基于MESO的邏輯運算速度也比CMOS高出五倍，延續了機關面積計算力提升的趨勢。
按照上面的資料換算來看，英特爾利用自旋電子技術可以在保持現有的CMOS晶片的性能下，将晶片尺寸縮小到目前尺寸大小的五分之一，并将降低能耗90-97%。
2022年10月，英特爾宣布成功以現有矽半導體技術生産了其第二代自旋量子計算晶片。該晶片由美國俄勒岡州英特爾Ronler Acres半導體研發機關Gordon Moore Park開發，是業界最大矽自旋量子運算晶片，量産晶片切出裸晶也表現高度均勻性，整個晶片良率有95%以上。這也正是此次釋出的矽自旋量子晶片Tunnel Falls的技術基礎。
當時，該矽自旋量子運算裝置也使用專門設計的量子低溫探測器 Cryoprober 進行了測試，該裝置在極低的溫度（1.7 開爾文或 -271.45 攝氏度）下運作，以保持量子比特的穩定性，進而使其可用于計算目的。測試确認該矽自旋量子運算裝置可以穩定運作。
Tunnel Falls量産有何意義？
英特爾此次釋出的矽自旋量子晶片Tunnel Falls同樣也利用了先進的 CMOS 生産線，使得英特爾能夠使用創新的過程控制技術來實作産量和性能。
具體來說，具有12 量子位的Tunnel Falls晶片在300mm晶圓上的制造，可以實作95% 的晶圓良率和類似于 CMOS 邏輯工藝的電壓均勻性，每個晶圓生産出超過 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并同時用于操作，具體取決于大學或實驗室如何運作其系統。
△Tunnel Falls是在300毫米晶圓上制造，利用英特爾最先進的半導體制造能力，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半導體，并允許英特爾在對标準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，不少廠商都推出了超過100量子比特的量子計算機，比如，IBM在2022 年 11 月的IBM 量子峰會上就釋出了一款400+ 量子比特的量子處理器Osprey，其包含了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。這款量子晶片雖然也是使用了傳統CMOS工藝中所謂的後端布線相同的技術，然而所有這些技術都必須修改為使用低溫超導金屬。
據IBM 的實體學家兼首席量子硬體架構師 Oliver Dial介紹，“向IBM的量子處理器輸送微波信号的電纜是一個特别的問題，因為大多數導電良好的東西也會導熱，進而損害我們冰箱的絕緣性能。為了解決這個問題，我們的Eagle處理器（之前IBM已推出的127量子位的處理器）使用了600多條電纜，每條電纜都是手工組裝、布線和測試。在Osprey中，我們用使用标準印刷電路闆技術制作的柔性帶狀電纜取代了大部分這些電纜。這些電纜中的每一條都取代了許多單獨的電纜、連接配接器群組件簡化了我們的設計，進而提高了處理器的可靠性。”即便如此，IBM的量子處理器制造依然非常複雜。
△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，但是得益于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，并隻需要對标準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産，這也意味着未來英特爾能夠将更多的量子比特內建到一顆晶片當中，并且能夠省去了在多個量子晶片上糾纏硬體的需求。相比之下，目前大多數其他量子晶片生産努力一次隻能制造一個。
△Tunnel Falls的闆級設計的也非常簡單
△Tunnel Falls的闆級設計局部放大
英特爾量子硬體總監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晶片。
接下來，英特爾還将不斷努力提高 Tunnel Falls 的性能，并通過英特爾量子軟體開發套件 (SDK) 将其內建到其完整的量子堆棧中。此外，英特爾已經在開發基于 Tunnel Falls 的下一代量子晶片，預計2024年釋出。
在生态建設方面，英特爾已經将 Tunnel Falls 晶片提供給量子研究社群。此外，英特爾還與馬裡蘭大學實體科學實驗室 (Laboratory for Physical Sciences，LPS)、帕克學院量子位合作實驗室 (LQC) 以及國家級量子資訊科學 (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，共建量子生态系統。
編輯：芯智訊-浪客劍