大規模矽量子位元控制需要在稀釋致冷系統的mK溫度階段，將控制電子元件與量子位元更緊密地整合，以解決限制量子運算擴大的布線瓶頸。根據2024年IEEE VLSI技術及電路研討會最新發表的研究成果，英特爾的mK低溫控制晶片(代號Pando Tree)使其成為半導體製造商中，第一家展示低溫矽自旋量子位元控制電子元件，在不同溫度階段的稀釋致冷系統內的分布情形。使用兩個分別為4K溫度階段的Horse Ridge II，以及10至20mK溫度階段的Pando Tree控制晶片，為大規模矽量子位元控制實現更高效的整體解決方案。在稀釋致冷系統的mK溫度階段布署傳統CMOS電路功能，將使未來的量子運算系統擴展至數百萬個量子位元(圖1)。
圖1 英特爾毫克耳文控制晶片Pando Tree更接近自旋量子位元晶片
作為解多工器(Demultiplexer)晶片，Pando Tree於致冷系統的mK溫度階段，與自旋量子位元研究晶片Tunnel Falls整合在同一PCB上。Horse Ridge II控制器透過一條單訊號線和9個數位控制訊號，生成量子位元所需的控制電壓快速序列，以對Pando Tree進行編程。解多工器晶片則根據Horse Ridge II提供的位址資訊，將輸入序列中的每個電壓，傳送至多個量子位元晶片控制終端。Pando Tree能為高達64個量子位元終端提供恆定電壓偏置(Constant Voltage Bias)和高速電壓脈衝(High-speed Voltage Pulsing)，這是能展現最大程度連接解多工能力的mK溫度控制電子元件。
相較於最先進的量子控制晶片，Pando Tree具備特別控制功能，例如提供精確的恆定電壓以最佳化量子位元效能，以及透過高速電壓脈衝控制量子位元。這些脈衝不僅可以持續應用於複雜演算法，也能同時應用於多個控制閘。控制閘在抵銷複雜布線以及各個量子位元之間的訊號串擾(Crosstalk)方面格外重要，能改善整體控制傳真度。
Pando Tree是解決量子運算互連瓶頸的關鍵步驟之一。量子晶片儲存於稀釋致冷系統的低溫環境下，而控制量子位元的傳統控制電子元件則於室溫中運作。如何讓控制電子元件在低溫環境下以高傳真度運作，對於克服布線瓶頸非常重要，而Pando Tree實現控制器和量子位元晶片之間更密集的整合。
解決連線瓶頸的技術
英特爾於2020年投入處理連線挑戰的第一步，以英特爾22奈米低功耗FinFET技術(22FFL)實現的量子位元低溫控制晶片——Horse Ridge。2020年12月，英特爾推出第二代晶片Horse Ridge II，將量子電腦運作的關鍵控制功能導入4K溫度階段低溫致冷系統，簡化量子系統控制布線的複雜性。
最初的Horse Ridge晶片簡化運作量子機器所需的多個設備機架，以及數千條電線進出致冷系統的需求。英特爾以高整合的系統單晶片(System-On-Chips, SoC)取代龐大的儀器設備，簡化系統設計。同時使用精密的訊號處理技術加速設置時間、改善量子位元效能，並使工程團隊能夠有效地將量子系統擴充至更大的量子位元數量。
雖然英特爾已經透過使用300K室溫儀器，和4K的Horse Ridge II低溫控制晶片展示控制能力。然而來自電纜布置、電源和雜訊的限制，仍是大型量子位元系統的瓶頸。即使是現在，布線瓶頸仍存於致冷系統的4K和mK溫度階段之間(圖2)。
具備脈衝運作應用的量子位元裝置，以及4K和mK控制器與傳統控制器英特爾300K(室溫)和4K控制器的比較
量子電腦中的自旋量子位元在略高於絕對零度的mK，也就是千分之一K的溫度範圍內運作。Pando Tree比Horse Ridge II更接近矽自旋量子位元晶片，可在致冷系統為10至20mK的低溫環境運作。即使控制的量子位元終端數量保持不變，在稀釋致冷系統的mK溫度階段，有了能在實體上更靠近量子位元晶片的Pando Tree，可實現將控制晶片與量子位元晶片整合於同一封裝的高密度連接。
一般控制N個量子位元就會需要N個單獨訊號，但因為Pando Tree的解多工功能，只需要大約log(N)個輸入訊號便可控制N個量子位元。舉例來說，控制100萬個量子位元需要超過100萬條電纜，但若利用類似於Pando Tree的解多工功能，可減少至約20條電纜。需要注意的是，Pando Tree和百萬量子位元之間的介面仍需要超過100萬個連接，不過因為Pando Tree可以在mK溫度下的量子位元晶片旁運作。兩種晶片可以共同封裝，並且利用先進封裝連接技術擴充。這類似於今日3D NAND快閃記憶體的多層垂直堆疊──透過密集連接與處理器晶片對接，這種記憶體方案可提供10億位元組(Bytes)的儲存空間，作為獨立系統透過密集連接與處理器介接，只需要100個輸入/輸出接腳(Pins)。
未來封裝趨勢
英特爾封裝技術雖然未應用於此實驗結果，但Pando Tree控制晶片的設計是完全相容於標準英特爾晶圓代工(Intel Foundry)的FCBGA 2D(Flip Chip Ball Grid Array 2D)，和其他先進封裝技術，以因應未來的擴充。相較於目前使用的PCB走線，Pando Tree可以運作於與量子位元晶片相同的mK溫度，因此能實現與量子位元晶片的共同封裝。這意謂著未來Pando Tree和量子位元晶片之間所需的數百萬條連接線路，可透過英特爾代工的Foveros 2.5D和3D封裝技術實現。
(本文作者為英特爾研究科學家)