Direktør for kvantehardware, Jim Clarke forklarer virksomhedens vej mod “kvantepraksis”
Jim Clarke: Det er enkelt for os…. Silicon spin qubits ser præcis ud som en transistor…. Infrastrukturen er der ud fra et værktøjs-fabrikationsperspektiv. Vi ved, hvordan vi kan lave disse transistorer. Så hvis man kan tage en teknologi som kvanteberegning og knytte den til en sådan allestedsnærværende teknologi, så er udsigten til at udvikle en kvantecomputer meget klarere.
Jeg vil indrømme, at siliciumspin qubits i dag ikke er den mest avancerede kvanteberegningsteknologi, der findes. Der er sket store fremskridt i det sidste år med superledende og ionfældequbits.
Men der er et par ting mere: En silicium-spinqubit er på størrelse med en transistor – det vil sige, at den er ca. 1 million gange mindre end en superledende qubit. Så hvis man tager en relativt stor superledende chip og siger: “Hvordan kommer jeg til et nyttigt antal qubits, f.eks. 1.000 eller en million qubits?”, så har man pludselig at gøre med en formfaktor, der er … skræmmende.
Vi laver i øjeblikket serverchips med milliarder og atter milliarder af transistorer på dem. Så hvis vores spinqubit er på størrelse med en transistor, vil vi ud fra et formfaktor- og energiperspektiv forvente, at den vil kunne skaleres meget bedre.
Spektrum: Hvad er silicium-spinqubits, og hvordan adskiller de sig fra konkurrerende teknologi, såsom superledende qubits og ionfældesystemer?
Clarke: I en ionfælde bruger man grundlæggende en laser til at manipulere en metalion gennem dens exciterede tilstande, hvor populationstætheden af to exciterede tilstande repræsenterer nul og et i qubit’en. I et superledende kredsløb skaber du den elektriske version af et ikke-lineært LC-oscillatorkredsløb (induktor-kondensator), og du bruger de to laveste energiniveauer i dette oscillatorkredsløb som nul og et i din qubit. Du bruger en mikrobølgeimpuls til at manipulere mellem nul- og en-tilstanden.
Vi gør noget lignende med spin-qubit’en, men det er lidt anderledes. Du tænder for en transistor, og du har en strøm af elektroner fra den ene side til den anden. I en silicium-spinqubit fanger du i det væsentlige en enkelt elektron i din transistor, og så sætter du det hele i et magnetfelt . Dette orienterer elektronen til enten at spinne op eller ned. Vi bruger i det væsentlige dens spintilstand som nul og et i qubit’en.
Det ville være en individuel qubit. Så kan vi med meget god kontrol få to adskilte elektroner tæt på hinanden og styre mængden af interaktion mellem dem. Og det fungerer som vores to-qubit-interaktion.
Så vi tager dybest set en transistor, der fungerer på enkeltelektronniveau, og får den meget tæt på det, der ville svare til en anden transistor, og så styrer vi elektronerne.
Spektrum:
Clarke: Begrænser nærheden mellem tilstødende qubits, hvordan systemet kan skaleres?
Clarke: Jeg vil svare på det på to måder. For det første kræver interaktionsafstanden mellem to elektroner for at skabe en gate med to qubits ikke for meget af vores proces. Vi laver mindre enheder hver dag hos Intel. Der er andre problemer, men det er ikke et af dem.
Typisk fungerer disse qubits på en slags nærmest-nærmeste nabo-interaktion. Så du kan have et todimensionalt gitter af qubits, og du vil i det væsentlige kun have interaktioner mellem en af dens nærmeste naboer. Og så ville man opbygge . Denne qubit vil så have interaktioner med sine nærmeste naboer osv. Og når man så udvikler et sammenfiltret system, er det sådan, man får et fuldt sammenfiltret 2D-gitter.
Spektrum: Hvad er nogle af de vanskelige problemer lige nu med silicium spin qubits?
Clarke: Ved at fremhæve udfordringerne ved denne teknologi siger jeg ikke, at det er sværere end andre teknologier. Jeg tager det på forhånd, fordi nogle af de ting, som jeg læser i litteraturen, tyder på, at qubits er ukomplicerede at fremstille eller skalere. Uanset hvilken qubit-teknologi der er tale om, er de alle vanskelige.
Med en spinqubit tager vi en transistor, som normalt har en strøm af elektroner, der går igennem, og man betjener den på enkeltelektronniveau. Det svarer til at have en enkelt elektron placeret i et hav af flere hundrede tusinde siliciumatomer og stadig være i stand til at manipulere, om den spinner op eller ned.
Så vi har i bund og grund en lille mængde silicium, vi kalder det kanalen i vores transistor, og vi styrer en enkelt elektron i dette stykke silicium. Udfordringen er, at silicium, selv et enkelt krystal, måske ikke er så rent, som vi har brug for det. Nogle af defekterne – disse defekter kan være ekstra bindinger, de kan være ladningsdefekter, de kan være dislokationer i siliciumet – kan alle påvirke den enkelte elektron, som vi studerer. Det er virkelig et materialeproblem, som vi forsøger at løse.
Back to top
Spektrum: Hvad er kohærenstid, og hvilken betydning har det for databehandling?
Clarke: kohærenstiden er det vindue, i hvilket information opretholdes i qubit’en. Så i tilfældet med en siliciumspinqubit er det, hvor lang tid der går, før elektronen mister sin orientering og tilfældigt forvrænger spintilstanden. Det er det vindue, som en qubit fungerer i.
Nu har alle qubit-typerne noget, der svarer til kohærenstider. Nogle er bedre end andre. Kohærenstiderne for spin-qubits kan, afhængigt af typen af kohærenstidsmåling, være i størrelsesordenen millisekunder, hvilket er ret overbevisende sammenlignet med andre teknologier.
Det, der skal ske, er, at vi er nødt til at udvikle en fejlkorrektionsteknik. Det er en kompleks måde at sige, at vi skal sætte en masse rigtige qubits sammen og få dem til at fungere som én meget god logisk qubit.
Spectrum: Hvor tæt er den slags fejlkorrektion?
Clarke: Det var en af de fire ting, der virkelig skal ske, for at vi kan realisere en kvantecomputer, som jeg skrev om tidligere. Det første er, at vi har brug for bedre qubits. Det andet er, at vi har brug for bedre sammenkoblinger. Det tredje er, at vi har brug for bedre kontrol. Og det fjerde er, at vi har brug for fejlkorrektion. Vi har stadig brug for forbedringer af de tre første, før vi virkelig kommer til at få fejlkorrektion på en fuldt skalerbar måde.
Du vil se grupper, der begynder at lave små bidder af fejlkorrektion på blot nogle få qubits. Men vi har brug for bedre qubits, og vi har brug for en mere effektiv måde at koble dem sammen på og styre dem på, før vi virkelig får fuldt fejltolerante kvantecomputere.
Back to top
Spektrum: En af de seneste forbedringer af qubits var udviklingen af “varme” siliciumqubits. Kan du forklare, hvad de betyder?
Clarke: En del af det svarer til kontrol.
Ret nu har man en chip i bunden af et fortyndingskøleskab, og så har man for hver qubit flere ledninger, der går derfra hele vejen ud af køleskabet. Og det er ikke små ledninger; det er coaxkabler. Så ud fra et formfaktorperspektiv og et energiperspektiv – hver af disse ledninger bruger strøm – har man virkelig et skaleringsproblem.
En af de ting, som Intel gør, er, at vi udvikler kontrolchips. Vi har en kontrolchip kaldet Horse Ridge, som er en konventionel CMOS-chip, som vi kan placere i køleskabet i umiddelbar nærhed af vores qubit-chip. I dag ligger denne kontrolchip ved 4 kelvin, og vores qubit-chip ligger ved 10 millikelvin, og vi skal stadig have ledninger mellem de to trin i køleskabet.
Tænk nu, hvis vi kan betjene vores qubit lidt varmere. Og med lidt varmere mener jeg måske 1 kelvin. Lige pludselig bliver kølekapaciteten i vores køleskab meget større. Kølekapaciteten i vores køleskab ved 10 millikelvin er ca. en milliwatt. Det er ikke meget strøm. Ved 1 kelvin er det sandsynligvis et par watt. Så hvis vi kan operere ved højere temperaturer, kan vi placere kontrolelektronikken meget tæt på vores qubit-chip.
Ved at have varme qubits kan vi samintegrere vores kontrol med vores qubits, og vi begynder at løse nogle af de ledningsmæssige problemer, som vi ser i de tidlige kvantecomputere i dag.
Spektrum: Er hot qubits strukturelt set de samme som almindelige spin qubits i silicium?
Clarke: Inden for silicium spin qubits er der flere forskellige typer materialer, nogle er det, jeg vil kalde silicium MOS-type qubits – meget lig nutidens transistormaterialer. I andre siliciumspinqubits har man silicium, der er begravet under et lag af siliciumgermanium. Vi vil kalde det en begravet kanalanordning. Hver har sine fordele og udfordringer.
Vi har arbejdet meget sammen med TU Delft om en bestemt type materialesystem, som er lidt anderledes end de fleste i samfundet studerer opererer systemet ved en lidt højere temperatur.
Jeg var vild med arbejdet med kvantesupremacy. Det gjorde jeg virkelig. Det er godt for vores samfund. Men det er et konstrueret problem, på et brute force-system, hvor ledningerne er et rod (eller i det mindste komplekse).
Det, vi forsøger at gøre med de varme qubits og med Horse Ridge-chippen, er at sætte os på en vej til skalering, der vil få os til en nyttig kvantecomputer, der vil ændre dit eller mit liv. Vi vil kalde det kvantepraktisk.
Back to top
Spektrum: Hvad tror du, at du vil arbejde mest intenst på næste gang?
Clarke: Med andre ord: “Hvad holder Jim vågen om natten?”
Der er et par ting. Den første er tid til information. I det meste af samfundet bruger vi disse fortyndingskøleskabe. Og standardmetoden er: Man fremstiller en chip; man lægger den i et fortyndingskøleskab; den køler ned i løbet af flere dage; man eksperimenterer med den i løbet af flere uger; så varmer man den op igen og lægger en ny chip i.
Sammenlign det med det, vi gør med transistorer: Vi tager en 300-millimeter wafer, lægger den på en probe-station, og efter to timer har vi tusindvis og atter tusindvis af datapunkter på tværs af waferen, som fortæller os noget om vores udbytte, vores ensartethed og vores ydeevne.
Det findes ikke rigtig inden for kvantecomputere. Så vi spurgte: “Er der en måde – ved lidt højere temperaturer – hvorpå man kan kombinere en probe-station med et fortyndingskøleskab?” I løbet af de sidste to år har Intel arbejdet sammen med to virksomheder i Finland om at udvikle det, vi kalder cryoprober. Og denne er netop nu ved at komme online. Vi har gjort et imponerende stykke arbejde med at installere dette massive stykke udstyr i det fuldstændige fravær af feltingeniører fra Finland på grund af coronaviruset.
Det vil gøre det muligt at fremskynde vores tid til information med en faktor på op til 10.000. Så i stedet for at wire bonding en enkelt prøve, lægge den i køleskabet, tage en uge eller endda et par dage til at undersøge den, vil vi være i stand til at sætte en 300-millimeter wafer ind i denne enhed og i løbet af en aften trin og scanne. Så vi vil få en enorm stigning i gennemstrømningen. Jeg vil sige en forbedring på 100 gange. Mine ingeniører ville sige 10.000. Jeg vil lade det være en udfordring for dem at imponere mig ud over de 100.
Her er den anden ting, der holder mig vågen om natten. Før jeg startede Intels kvantecomputerprogram, var jeg ansvarlig for forskningen i interconnect-forbindelser i Intels Components Research Group. (Det er ledninger på chips.) Så jeg er lidt mindre optaget af ledningerne ind og ud af køleskabet, end jeg er af ledningerne på chippen.
Jeg vil give et eksempel: En Intel-serverchip har sandsynligvis nord for 10 milliarder transistorer på en enkelt chip. Alligevel er antallet af ledninger, der kommer fra denne chip, et par tusinde. En kvantecomputerchip har flere ledninger, der kommer ud af chippen, end der er qubits. Dette var i hvert fald tilfældet i forbindelse med Googles arbejde sidste år. Det var helt sikkert tilfældet for Tangle Lake-chippen, som Intel fremstillede i 2018, og det er tilfældet med vores spin qubit-chips, som vi fremstiller nu.
Så vi er nødt til at finde en måde at gøre forbindelserne mere elegante på. Vi kan ikke have flere ledninger, der kommer ud af chippen, end vi har enheder på chippen. Det er ineffektivt.
Dette er noget, som den konventionelle computerverden opdagede i slutningen af 1960’erne med Rent’s Rule . Sidste år offentliggjorde vi sammen med Technical University Delft en artikel om kvanteækvivalenten til Rent’s Rule. Og den omhandler bl.a. Horse Ridge-kontrolchippen, de varme qubits og multiplexing.
Vi er nødt til at finde en måde at multiplexe på ved lave temperaturer. Og det bliver svært. Man kan ikke have en kvantecomputer med en million qubits med 2 millioner koaksialkabler, der kommer ud af toppen af køleskabet.
Spektrum: Gør Horse Ridge ikke multiplexing?
Clarke: Det har multiplexing. Anden generation vil have en lille smule mere. Formfaktoren for ledningerne er meget mindre, fordi vi kan placere den tættere på chippen.
Så hvis du ligesom kombinerer alt det, jeg har talt om. Hvis jeg giver dig en pakke, hvor en klassisk kontrolchip – kald det en fremtidig version af Horse Ridge – sidder lige ved siden af og i samme pakke som en kvantechip, der begge arbejder ved samme temperatur og gør brug af meget små forbindelsesledninger og multiplexing, så ville det være visionen.
Spektrum: Hvad vil det kræve?
Clarke: Det vil kræve et par ting. Det vil kræve forbedringer af kontrolchippens driftstemperatur. Det vil sandsynligvis kræve nogle nye implementeringer af emballagen, så der ikke er en masse termisk krydssnak mellem de to chips. Det vil sandsynligvis kræve endnu større kølekapacitet fra fortyndingskøleskabet. Og det vil sandsynligvis kræve en qubit-topologi, der gør det lettere at multiplexe.
Spektrum: I betragtning af de betydelige tekniske udfordringer, som du har talt om her, hvor optimistisk er du så med hensyn til fremtiden for kvantecomputere?
Clarke: Hos Intel har vi konsekvent fastholdt, at vi er tidligt ude i kvantekapløbet. Alle større ændringer i halvlederindustrien har fundet sted på ti års tidshorisont, og jeg tror ikke, at kvantecomputere vil være anderledes. Selv om det er vigtigt ikke at undervurdere de tekniske udfordringer, der er involveret, er løftet og potentialet reelt. Jeg glæder mig til at se og deltage i de betydningsfulde fremskridt, vi gør, ikke kun inden for Intel, men i branchen som helhed. Et skift af denne størrelsesorden inden for databehandling kræver, at teknologiledere, videnskabelige forskningsmiljøer, akademiske kredse og politiske beslutningstagere alle går sammen om at drive fremskridt på området, og der foregår allerede i dag et enormt arbejde på den front på tværs af kvanteøkosystemet.
Back to top