Ředitel kvantového hardwaru Jim Clarke vysvětluje cestu společnosti ke „kvantové praktičnosti“
Jim Clarke: Je to pro nás jednoduché…. Křemíkové spinové qubity vypadají přesně jako tranzistor….. Infrastruktura je k dispozici z hlediska výroby nástrojů. Víme, jak tyto tranzistory vyrobit. Takže pokud můžete vzít technologii, jako je kvantová výpočetní technika, a namapovat ji na takovou všudypřítomnou technologii, pak je perspektiva vývoje kvantového počítače mnohem jasnější.
Připouštím, že křemíkové spinové qubity dnes nejsou nejpokročilejší kvantovou výpočetní technologií. V posledním roce došlo k velkému pokroku u supravodivých qubitů a qubitů s iontovou pastí.
Je tu ale ještě několik věcí: Křemíkový spinový qubit má velikost tranzistoru – což znamená, že je zhruba milionkrát menší než supravodivý qubit. Takže když vezmete relativně velký supravodivý čip a řeknete si: „Jak se dostanu k užitečnému počtu qubitů, řekněme 1 000 nebo milion qubitů?“, najednou máte co do činění s tvarovým faktorem, který je… zastrašující.
V současné době vyrábíme serverové čipy s miliardami a miliardami tranzistorů. Takže pokud má náš spinový qubit velikost tranzistoru, z hlediska tvarového faktoru a energie bychom očekávali, že se bude škálovat mnohem lépe.
Spektrum:
Clarke: Co jsou křemíkové spinové qubity a jak se liší od konkurenčních technologií, jako jsou supravodivé qubity a systémy iontových pastí? V iontové pasti v podstatě používáte laser k manipulaci s kovovým iontem prostřednictvím jeho excitovaných stavů, kde populační hustota dvou excitovaných stavů představuje nulu a jedničku qubitu. V supravodivém obvodu vytváříte elektrickou verzi nelineárního LC (induktor-kondenzátor) oscilačního obvodu a jako nulu a jedničku vašeho qubitu používáte dvě nejnižší energetické hladiny tohoto oscilačního obvodu. K manipulaci mezi nulovým a jedničkovým stavem používáte mikrovlnný impuls.
Něco podobného děláme se spinovým qubitem, ale je to trochu jiné. Zapnete tranzistor a máte tok elektronů z jedné strany na druhou. V křemíkovém spinovém qubitu v podstatě uvězníte jeden elektron v tranzistoru a pak celou věc umístíte do magnetického pole . Tím se elektron orientuje buď na spin nahoru, nebo na spin dolů. V podstatě používáme jeho spinový stav jako nulu a jedničku qubitu.
To by byl individuální qubit. Pak můžeme s velmi dobrou kontrolou dostat dva oddělené elektrony do těsné blízkosti a řídit velikost interakce mezi nimi. A to nám slouží jako interakce dvou qubitů.
Takže v podstatě vezmeme tranzistor, pracující na úrovni jednotlivých elektronů, dostaneme ho do velmi těsné blízkosti něčeho, co by se rovnalo jinému tranzistoru, a pak elektrony řídíme.
Spektrum:
Clarke: Omezuje blízkost mezi sousedními qubity rozsah systému? Na to odpovím dvěma způsoby. Zaprvé, interakční vzdálenost mezi dvěma elektrony, která má zajistit dvouqubitovou bránu, nežádá od našeho procesu příliš mnoho. Ve společnosti Intel vyrábíme každý den menší zařízení. Existují i jiné problémy, ale tento mezi ně nepatří.
Typicky tyto qubity fungují na základě jakési interakce nejbližšího souseda. Takže byste mohli mít dvourozměrnou mřížku qubitů a v podstatě byste měli interakci pouze mezi jedním z jeho nejbližších sousedů. A pak byste vytvořili . Tento qubit by pak měl interakce se svými nejbližšími sousedy atd. A jakmile byste vytvořili entanglovaný systém, tak byste získali plně entanglovanou 2D mřížku.
Spektrum:
Clarke: Jaké jsou nyní obtížné problémy s křemíkovými spinovými qubity? Tím, že zdůrazňuji problémy této technologie, neříkám, že je to těžší než jiné technologie. Předesílám to proto, že jistě některé věci, které jsem četl v literatuře, by naznačovaly, že qubity je jednoduché vyrobit nebo škálovat. Bez ohledu na technologii qubitů jsou všechny obtížné.
U spinového qubitu vezmeme tranzistor, kterým normálně prochází proud elektronů, a provozujete ho na úrovni jednoho elektronu. To je ekvivalent toho, jako bychom měli jediný elektron umístěný v moři několika set tisíc atomů křemíku a přesto s ním mohli manipulovat, zda se bude točit nahoru nebo dolů.
Takže máme v podstatě malé množství křemíku, budeme tomu říkat kanál našeho tranzistoru, a ovládáme jediný elektron v tomto kousku křemíku. Problém je v tom, že křemík, dokonce i monokrystal, nemusí být tak čistý, jak potřebujeme. Některé defekty – tyto defekty mohou být dodatečné vazby, mohou to být nábojové defekty, mohou to být dislokace v křemíku – to vše může mít vliv na ten jediný elektron, který studujeme. To je skutečně materiálový problém, který se snažíme vyřešit.
Zpět na začátek
Spektrum:
Clarke: Jen stručně, co je to koherenční čas a jaký je jeho význam pro výpočetní techniku? Koherenční čas je okno, během něhož se v qubitu udržuje informace. Takže v případě křemíkového spinového qubitu je to doba, za jak dlouho ztratí elektron svou orientaci a náhodně zakóduje stav spinu. Je to provozní okno qubitu.
Všechny typy qubitů mají něco jako koherenční časy. Některé jsou lepší než jiné. Koherenční časy spinových qubitů se v závislosti na typu měření koherenčního času mohou pohybovat v řádu milisekund, což je ve srovnání s jinými technologiemi docela přesvědčivé.
Je třeba, abychom vyvinuli techniku opravy chyb. To je složitý způsob, jak říci, že dáme dohromady několik skutečných qubitů a necháme je fungovat jako jeden velmi dobrý logický qubit.
Spektrum: Jak blízko je takový druh korekce chyb?
Clarke: To byl jeden ze čtyř bodů, které se skutečně musí stát, abychom mohli realizovat kvantový počítač, o kterém jsem psal dříve. První je, že potřebujeme lepší qubity. Druhá věc je, že potřebujeme lepší propojení. Třetí je, že potřebujeme lepší řízení. A za čtvrté potřebujeme opravu chyb. Ještě potřebujeme vylepšit první tři, než se skutečně dostaneme, plně škálovatelným způsobem, k opravě chyb.
Uvidíte skupiny, které začnou dělat malé kousky opravy chyb jen na několika qubitech. Potřebujeme však lepší qubity a efektivnější způsob jejich zapojení a ovládání, než se skutečně dočkáme plně odolných kvantových počítačů.
Zpět na začátek
Spektrum: Jedním z vylepšení qubitů v poslední době byl vývoj „horkých“ křemíkových qubitů. Můžete vysvětlit jejich význam?
Clarke:
Právě teď máte čip na dně ředicí ledničky a pak pro každý qubit máte několik drátů, které od něj vedou až ven z ledničky. A nejsou to malé dráty, jsou to koaxiální kabely. A tak z hlediska tvaru a spotřeby – každý z těchto drátů rozptyluje energii – máte opravdu problém se škálováním.
Jednou z věcí, kterou společnost Intel dělá, je, že vyvíjíme řídicí čipy. Máme řídicí čip nazvaný Horse Ridge, což je běžný čip CMOS, který můžeme umístit do lednice v těsné blízkosti našeho qubitového čipu. Dnes má tento řídicí čip teplotu 4 kelviny a náš qubitový čip má teplotu 10 milikelvinů, a přesto musíme mít mezi těmito dvěma stupni v lednici dráty.
Teď si představte, že bychom mohli náš qubit provozovat o něco teplejší. A tím mírně teplejší myslím třeba 1 kelvin. Najednou se chladicí výkon naší ledničky stane mnohem větším. Chladicí výkon naší ledničky při 10 milikelvinech je zhruba miliwatt. To není moc velký výkon. Při 1 kelvinu je to pravděpodobně několik wattů. Pokud tedy můžeme pracovat při vyšších teplotách, můžeme pak umístit řídicí elektroniku do těsné blízkosti našeho qubitového čipu.
Díky tomu, že máme horké qubity, můžeme společně integrovat naše řízení s našimi qubity a začít řešit některé problémy s kabeláží, se kterými se setkáváme u dnešních prvních kvantových počítačů.
Spektrum:
Clarke: Jsou horké qubity strukturálně stejné jako běžné křemíkové spinové qubity? V rámci křemíkových spinových qubitů existuje několik různých typů materiálů, některé bych nazval křemíkové qubity typu MOS – velmi podobné dnešním tranzistorovým materiálům. V jiných křemíkových spinových qubitech máte křemík, který je pohřben pod vrstvou křemíkového germania. Tomu budeme říkat zařízení s pohřbeným kanálem. Každé z nich má své výhody a problémy.
S TU Delft jsme udělali hodně práce, když jsme pracovali na určitém typu materiálového systému, který je trochu jiný, než většina v komunitě studuje provozovat systém při trochu vyšší teplotě.
Líbila se mi práce na kvantové nadřazenosti. Opravdu se mi líbila. Je to dobré pro naši komunitu. Ale je to vymyšlený problém, na systému s hrubou silou, kde je zapojení nepořádek (nebo přinejmenším složité).
To, co se snažíme udělat s horkými qubity a s čipem Horse Ridge, je dostat nás na cestu škálování, která nás dostane k užitečnému kvantovému počítači, který změní váš nebo můj život. Budeme tomu říkat kvantová praktičnost.
Zpět na začátek
Spektrum:
Clarke: Na čem myslíte, že budete příště pracovat nejintenzivněji?
Jinými slovy: „Co Jimovi nedá spát?“
Je několik věcí. První z nich je čas na informace. Ve většině společenství používáme tyto ředicí ledničky. A standardní způsob je následující: Vyrobíte čip, dáte ho do ředicí lednice, během několika dní se ochladí, během několika týdnů s ním experimentujete, pak ho znovu zahřejete a dáte tam další čip.
Přirovnejte to k tomu, co děláme s tranzistory: Vezmeme 300milimetrovou destičku, položíme ji na sondovací stanici a po dvou hodinách máme tisíce a tisíce datových bodů napříč destičkou, které nám řeknou něco o naší výtěžnosti, rovnoměrnosti a výkonu.
To v kvantové výpočetní technice neexistuje. Proto jsme se zeptali: „Existuje způsob – při o něco vyšších teplotách – jak zkombinovat stanici sondy s ředicí chladničkou?“. V posledních dvou letech Intel spolupracoval se dvěma společnostmi ve Finsku na vývoji zařízení, kterému říkáme kryoprober. A ten je právě v provozu. Odvádíme působivou práci při instalaci tohoto masivního zařízení za naprosté nepřítomnosti terénních inženýrů z Finska kvůli koronaviru.“
To, co to udělá, je, že zrychlí náš čas na informaci až 10 000krát. Takže místo toho, abychom spojili jeden vzorek drátem, dali ho do ledničky, studovali ho týden nebo dokonce několik dní, budeme moci do tohoto přístroje vložit 300milimetrový plátek a během jednoho večera ho krokem naskenovat. Takže dosáhneme obrovského zvýšení propustnosti. Řekl bych, že 100násobné zlepšení. Moji inženýři by řekli 10 000. Nechám to pro ně jako výzvu, aby mě ohromili více než 100.
Tady je další věc, která mi nedá spát. Před zahájením programu kvantových počítačů Intel jsem měl na starosti výzkum propojení ve výzkumné skupině Intel Components Research Group. (To je kabeláž na čipech.) Takže se o kabeláž do a z ledničky zajímám o něco méně než právě o kabeláž na čipu.
Uvedu příklad: Serverový čip Intel má na jednom čipu pravděpodobně více než 10 miliard tranzistorů. Přesto je počet vodičů vycházejících z tohoto čipu několik tisíc. Kvantový výpočetní čip má více drátů vycházejících z čipu, než je qubitů. To byl jistě případ loňské práce společnosti Google. Určitě to byl případ čipu Tangle Lake, který Intel vyrobil v roce 2018, a je to případ našich čipů se spinovými qubity, které vyrábíme nyní.
Musíme tedy najít způsob, jak propojení udělat elegantnější. Nemůžeme mít více drátů vycházejících z čipu, než máme zařízení na čipu. Je to neefektivní.
Toto je něco, co konvenční počítačová komunita objevila koncem šedesátých let s Rentovým pravidlem . V loňském roce jsme společně s Technickou univerzitou v Delftu publikovali článek o kvantovém ekvivalentu Rentova pravidla. A hovoří se v něm mimo jiné o řídicím čipu Horse Ridge, horkých qubitech a multiplexování.
Musíme najít způsob, jak multiplexovat při nízkých teplotách. A to bude těžké. Nemůžete mít kvantový počítač s milionem qubitů a 2 miliony koaxiálních kabelů vycházejících z horní části ledničky.
Spektrum:
Clarke: Nedělá Horse Ridge multiplexování? Má multiplexování. Druhá generace jich bude mít o něco víc. Formát vodičů je mnohem menší, protože je můžeme umístit blíže k čipu.
Takže když tak nějak spojíte všechno, o čem jsem mluvil. Pokud vám dám balíček, ve kterém bude klasický řídicí čip – říkejme mu třeba budoucí verze Horse Ridge – umístěný hned vedle a ve stejném balení jako kvantový čip, přičemž oba budou pracovat při podobné teplotě a využívat velmi malé propojovací vodiče a multiplexování, bude to vize.
Spektrum:
Clarke: Co to bude vyžadovat? Bude to vyžadovat několik věcí. Bude to vyžadovat zlepšení provozní teploty řídicího čipu. Pravděpodobně to bude vyžadovat nějakou novou implementaci balení, aby nedocházelo ke vzájemnému tepelnému ovlivňování obou čipů. Pravděpodobně to bude vyžadovat ještě větší chladicí výkon ředicí chladničky. A pravděpodobně to bude vyžadovat nějakou topologii qubitů, která usnadní multiplexování.
Spektrum:
Clarke: Vzhledem k významným technickým výzvám, o kterých jste zde hovořil, jak optimistický jste ohledně budoucnosti kvantových počítačů? V Intelu trvale tvrdíme, že jsme v kvantovém závodě na začátku. Každá významná změna v polovodičovém průmyslu se odehrála v časovém horizontu desetiletí a nevěřím, že v kvantové oblasti tomu bude jinak. I když je důležité nepodceňovat související technické výzvy, příslib a potenciál jsou reálné. Jsem nadšený, že mohu vidět a podílet se na významném pokroku, kterého dosahujeme, a to nejen v rámci společnosti Intel, ale i celého odvětví. K tak rozsáhlému posunu v oblasti výpočetní techniky bude zapotřebí, aby se technologičtí lídři, vědecko-výzkumné komunity, akademická obec a tvůrci politik spojili, aby dosáhli pokroku v této oblasti, a na tomto poli se již dnes v celém kvantovém ekosystému odvádí obrovská práce.
Zpět na začátek