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從實驗室走向機房,世界首臺硅基量子計算機Bell-1

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量子計算機的走出實驗室的速度也許會超出人們的預期。近日,愛爾蘭初創公司Equal1發布了首臺硅基量子計算機Bell-1,它可以走出實驗室部署進普通服務器機房,接上電源就能用。

01

量子計算機為何難以走出實驗室

量子計算機要走出實驗室,需要克服一系列科學技術、工程和商業挑戰。

對于量子計算機來說,每增加一個量子比特,同時處理的狀態數量就會翻倍,理論算力就能獲得指數級增長。當前超導量子計算機的比特數雖然已經超過2000個(IBM),但量子狀態維持時間和糾錯率距離商用需求還有不小的差距。

超導量子產自超導材料,需要在接近絕對零度(10mK,-273.14℃)的環境中才能穩定工作,這需要一臺3米×3米的稀釋制冷機并提供液氦、液氫等制冷劑才能運行。而且這種稀釋制冷機本身功耗就有20kW,而一臺經典服務器的功耗只有它的十分之一。


首臺硅基量子計算機Bell-1

由于維持冷卻設備和精密設備的成本高昂,制造一個超導量子比特的成本介于1000到50000 美元之間。

高昂的成本、龐大且復雜的專業設備都限制了量子計算機的實用步伐。

02

專為機房設計的量子計算機

這款量子計算機以提出貝爾不等式(Bell's inequality)的物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell)命名——Bell-1。它的設計者認為這臺量子計算機能解決制冷設備維護困難、體積龐大和維護成本高等的問題。

硅基量子集成芯片

Equal1公司在硅基量子領域技術不俗,之前曾創下了硅量子比特最高的單量子比特和雙量子比特門保真度(意味著錯誤更少)及門速度(意味著操作更快)。

與常規超導量子計算機依賴超導材料產生量子比特不同,Bell-1利用硅基材料中的電子自旋作為量子比特。硅基自旋量子比特具有超長的量子退相干時間,以及與現代半導體工藝技術兼容的高可擴展性等優勢。

在制造技術上,硅基量子芯片可以使用傳統硅基計算機的芯片制造技術,并且量子晶體管(用于量子比特)和經典晶體管(用于常規計算任務)兩者可以直接結合在單個硅基芯片中。這讓它的生產技術難度降低,擴展性增強,制造成本可控。


硅基量子集成芯片

最終這臺機器的核心芯片集成了量子處理單元(QPU)、Arm CPU(傳統處理器)和神經處理單元(用于加速機器學習和人工智能),將它們整合到一個芯片上能讓量子計算能更好地融入經典計算中。

03

能裝入標準機架

Bell-1設計目標是能在高溫、噪音和混亂的高性能計算數據中心中無縫運行。

硅基量子芯片的工作溫度稍高于絕對零度,為0.3開爾文(-272.85℃),這一點點溫度的差異就讓它擺脫了稀釋制冷機(提供mk的溫度)的束縛。Equal1研制了無需額外維護的“封閉式循環低溫冷卻器”,這樣它就擺脫了量子計算機對專用房間、復雜基礎設施和冷卻系統的需求。


封閉式循環低溫冷卻器

它的體積從3米見方縮小到600mm×1000mm×1600mm,尺寸與現有的圖形處理單元(GPU)服務器大致相同。重量200公斤,運行功率為1600W與企業服務器相當。這讓它能直接裝進數據中心的機架,然后直接插入標準電源插座,而無需對機房做任何改造,就能無縫集成進機房環境中。


與現有服務器體積相當

04

僅6個量子比特但可擴展

這款量子計算機僅包含6個量子比特,集成了錯誤糾正、控制和讀出功能,目前僅能用于量子加密和簡單的量子加速計算中。

利用硅基量子芯片與硅基半導體天然的兼容性,它的未來能有更好的可擴展性,從而可以將量子計算用于AI、金融建模、藥物研究和材料科學等研發領域。Equal1公司承諾新機型能在目前的版本的基礎上升級,而無需購買新機器。


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