Direktor für Quantenhardware, Jim Clarke, erklärt den Weg des Unternehmens zur „Quantenpraktikabilität“
Jim Clarke: Für uns ist es einfach…. Silizium-Spin-Qubits sehen genauso aus wie ein Transistor…. Die Infrastruktur ist vorhanden, was die Herstellung von Werkzeugen angeht. Wir wissen, wie man diese Transistoren herstellt. Wenn man also eine Technologie wie das Quantencomputing auf eine so allgegenwärtige Technologie übertragen kann, dann sind die Aussichten für die Entwicklung eines Quantencomputers viel klarer.
Ich würde zugeben, dass Silizium-Spin-Qubits heute nicht die fortschrittlichste Quantencomputertechnologie sind, die es gibt. Im letzten Jahr gab es große Fortschritte bei supraleitenden und Ionenfallen-Qubits.
Aber es gibt noch ein paar andere Dinge: Ein Silizium-Spin-Qubit hat die Größe eines Transistors – das heißt, es ist etwa eine Million Mal kleiner als ein supraleitendes Qubit. Wenn man also einen relativ großen supraleitenden Chip nimmt und sich fragt: „Wie komme ich zu einer brauchbaren Anzahl von Qubits, sagen wir 1.000 oder eine Million Qubits?“, dann hat man es plötzlich mit einem Formfaktor zu tun, der… einschüchternd ist.
Wir stellen derzeit Serverchips mit Milliarden und Abermilliarden von Transistoren her. Wenn unser Spin-Qubit also etwa die Größe eines Transistors hat, würden wir erwarten, dass es sich vom Formfaktor und der Energie her viel besser skalieren lässt.
Spektrum: Was sind Silizium-Spin-Qubits und wie unterscheiden sie sich von konkurrierenden Technologien, wie supraleitenden Qubits und Ionenfallen-Systemen?
Clarke: In einer Ionenfalle verwendet man im Grunde einen Laser, um ein Metallion durch seine angeregten Zustände zu manipulieren, wobei die Populationsdichte zweier angeregter Zustände die Null und die Eins des Qubits darstellt. In einem supraleitenden Schaltkreis erzeugen Sie die elektrische Version eines nichtlinearen LC-Oszillator-Schaltkreises (Induktor-Kondensator-Schaltkreis), und Sie verwenden die beiden niedrigsten Energieniveaus dieses Oszillator-Schaltkreises als Null und Eins Ihres Qubits. Man benutzt einen Mikrowellenimpuls, um zwischen dem Null- und dem Eins-Zustand zu wechseln.
Wir machen etwas Ähnliches mit dem Spin-Qubit, aber es ist ein wenig anders. Man schaltet einen Transistor ein, und die Elektronen fließen von einer Seite zur anderen. Bei einem Silizium-Spin-Qubit fängt man im Wesentlichen ein einzelnes Elektron in seinem Transistor ein und setzt das Ganze dann einem Magnetfeld aus. Dadurch wird das Elektron so ausgerichtet, dass es sich entweder nach oben oder nach unten dreht. Wir verwenden im Wesentlichen seinen Spin-Zustand als Null und Eins des Qubits.
Das wäre ein individuelles Qubit. Dann können wir mit sehr guter Kontrolle zwei getrennte Elektronen in unmittelbarer Nähe haben und das Ausmaß der Wechselwirkung zwischen ihnen steuern. Und das dient als unsere Zwei-Qubit-Wechselwirkung.
Wir nehmen also im Grunde einen Transistor, der auf Einzelelektronenebene arbeitet, bringen ihn in sehr große Nähe zu etwas, das einem anderen Transistor gleichkäme, und dann kontrollieren wir die Elektronen.
Spektrum: Begrenzt die Nähe zwischen benachbarten Qubits die Skalierbarkeit des Systems?
Clarke: Ich werde das auf zwei Arten beantworten. Erstens ist der Interaktionsabstand zwischen zwei Elektronen, um ein Zwei-Qubit-Gate zu schaffen, nicht zu viel von unserem Prozess verlangt. Wir stellen bei Intel jeden Tag kleinere Geräte her. Es gibt noch andere Probleme, aber das ist keins davon.
Typischerweise funktionieren diese Qubits über eine Art von Nah-Nachbar-Wechselwirkung. Man könnte also ein zweidimensionales Gitter von Qubits haben, und man würde im Wesentlichen nur Wechselwirkungen zwischen einem seiner nächsten Nachbarn haben. Und dann würde man es aufbauen. Dieses Qubit würde dann Wechselwirkungen mit seinen nächsten Nachbarn haben und so weiter. Und wenn man dann ein verschränktes System entwickelt, erhält man ein vollständig verschränktes 2D-Gitter.
Spektrum: Welche Schwierigkeiten gibt es derzeit bei Silizium-Spin-Qubits?
Clarke: Indem ich die Herausforderungen dieser Technologie hervorhebe, will ich nicht sagen, dass sie schwieriger ist als andere Technologien. Ich will damit sagen, dass einige Dinge, die ich in der Literatur gelesen habe, darauf hindeuten, dass Qubits einfach herzustellen oder zu skalieren sind. Unabhängig von der Qubit-Technologie sind sie alle schwierig.
Bei einem Spin-Qubit nehmen wir einen Transistor, durch den normalerweise ein Strom von Elektronen fließt, und betreiben ihn auf der Ebene eines einzelnen Elektrons. Das ist das Äquivalent zu einem einzelnen Elektron, das in einem Meer von mehreren hunderttausend Siliziumatomen platziert ist und trotzdem in der Lage ist, zu manipulieren, ob es sich nach oben oder nach unten dreht.
Wir haben also im Wesentlichen eine kleine Menge Silizium, nennen wir es den Kanal unseres Transistors, und wir kontrollieren ein einzelnes Elektron innerhalb dieses Stücks Silizium. Die Herausforderung besteht darin, dass Silizium, selbst ein Einkristall, möglicherweise nicht so sauber ist, wie wir es brauchen. Einige der Defekte – diese Defekte können zusätzliche Bindungen, Ladungsdefekte oder Versetzungen im Silizium sein – können sich alle auf das einzelne Elektron auswirken, das wir untersuchen. Dies ist wirklich ein Materialproblem, das wir zu lösen versuchen.
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Spektrum: Nur ganz kurz, was ist die Kohärenzzeit und welche Bedeutung hat sie für das Rechnen?
Clarke: Die Kohärenzzeit ist das Fenster, in dem die Information im Qubit erhalten bleibt. Im Falle eines Silizium-Spin-Qubits ist es die Zeit, die vergeht, bevor das Elektron seine Orientierung verliert und den Spin-Zustand zufällig durcheinanderbringt. Das ist das Betriebsfenster für ein Qubit.
Nun haben alle Qubit-Typen so etwas wie Kohärenzzeiten. Einige sind besser als andere. Die Kohärenzzeiten für Spin-Qubits können, je nach Art der Kohärenzzeitmessung, in der Größenordnung von Millisekunden liegen, was im Vergleich zu anderen Technologien ziemlich überzeugend ist.
Was passieren muss, ist, dass wir eine Fehlerkorrekturtechnik entwickeln müssen. Das ist eine komplexe Art zu sagen, dass wir einen Haufen echter Qubits zusammensetzen und sie als ein sehr gutes logisches Qubit funktionieren lassen.
Spektrum: Wie nah ist diese Art der Fehlerkorrektur?
Clarke: Das war einer der vier Punkte, die wirklich passieren müssen, damit wir einen Quantencomputer realisieren können, über den ich bereits geschrieben habe. Der erste Punkt ist, dass wir bessere Qubits brauchen. Der zweite ist, dass wir bessere Verbindungselemente brauchen. Drittens brauchen wir eine bessere Steuerung. Und viertens brauchen wir eine Fehlerkorrektur. Wir brauchen immer noch Verbesserungen bei den ersten drei, bevor wir wirklich in einer vollständig skalierbaren Weise zur Fehlerkorrektur kommen.
Sie werden sehen, dass Gruppen anfangen, kleine Bits der Fehlerkorrektur auf nur ein paar Qubits zu machen. Aber wir brauchen bessere Qubits und wir brauchen eine effizientere Art, sie zu verdrahten und zu kontrollieren, bevor wir wirklich ein vollständig fehlertolerantes Quantencomputing sehen werden.
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Spektrum: Eine der jüngsten Verbesserungen bei Qubits war die Entwicklung von „heißen“ Silizium-Qubits. Können Sie deren Bedeutung erklären?
Clarke: Ein Teil davon ist gleichbedeutend mit Kontrolle.
Im Moment hat man einen Chip am Boden eines Verdünnungskühlschranks, und dann hat man für jedes Qubit mehrere Drähte, die von dort bis außerhalb des Kühlschranks gehen. Und das sind keine kleinen Drähte, das sind Koaxialkabel. Aus Sicht des Formfaktors und des Stromverbrauchs – jeder dieser Drähte verbraucht Strom – hat man also ein echtes Skalierungsproblem.
Intel entwickelt unter anderem Kontrollchips. Wir haben einen Kontrollchip namens Horse Ridge, einen konventionellen CMOS-Chip, den wir im Kühlschrank in unmittelbarer Nähe zu unserem Qubit-Chip platzieren können. Heute liegt dieser Kontrollchip bei 4 Kelvin und unser Qubit-Chip bei 10 Millikelvin, und wir müssen immer noch Drähte zwischen diesen beiden Stufen im Kühlschrank verlegen.
Stellen Sie sich nun vor, wir könnten unser Qubit etwas wärmer betreiben. Und mit etwas wärmer, meine ich vielleicht 1 Kelvin. Plötzlich wird die Kühlleistung unseres Kühlschranks viel größer. Die Kühlleistung unseres Kühlschranks bei 10 Millikelvin beträgt etwa ein Milliwatt. Das ist nicht sehr viel Strom. Bei 1 Kelvin sind es wahrscheinlich ein paar Watt. Wenn wir also bei höheren Temperaturen arbeiten können, können wir die Steuerelektronik in unmittelbarer Nähe zu unserem Qubit-Chip platzieren.
Durch heiße Qubits können wir unsere Steuerung mit unseren Qubits integrieren, und wir beginnen, einige der Verdrahtungsprobleme zu lösen, die wir in den frühen Quantencomputern von heute sehen.
Spektrum: Sind Hot-Qubits strukturell die gleichen wie normale Silizium-Spin-Qubits?
Clarke: Innerhalb der Silizium-Spin-Qubits gibt es verschiedene Arten von Materialien, einige sind, wie ich es nennen würde, Silizium-MOS-Typ-Qubits – sehr ähnlich den heutigen Transistor-Materialien. Bei anderen Silizium-Spin-Qubits ist das Silizium unter einer Schicht aus Silizium-Germanium vergraben. Wir nennen das ein Gerät mit vergrabenem Kanal. Beide haben ihre Vorteile und Herausforderungen.
Wir haben viel mit der TU Delft zusammengearbeitet, die an einer bestimmten Art von Materialsystem arbeitet, das ein wenig anders ist als die meisten in der Gemeinschaft, die das System bei einer etwas höheren Temperatur betreiben.
Ich mochte die Arbeit zur Quantenüberlegenheit. Das habe ich wirklich. Sie ist gut für unsere Gemeinschaft. Aber es ist ein erfundenes Problem auf einem Brute-Force-System, bei dem die Verdrahtung ein Chaos ist (oder zumindest komplex).
Was wir mit den heißen Qubits und dem Horse-Ridge-Chip versuchen, ist, uns auf einen Pfad der Skalierung zu bringen, der uns zu einem nützlichen Quantencomputer führt, der Ihr oder mein Leben verändern wird. Wir nennen das Quantenpraktikabilität.
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Spektrum: Woran, glauben Sie, werden Sie als nächstes am intensivsten arbeiten?
Clarke: Mit anderen Worten: „Was hält Jim nachts wach?“
Es gibt ein paar Dinge. Der erste ist die Zeit bis zur Information. In der gesamten Gemeinschaft verwenden wir diese Verdünnungskühlschränke. Und das ist die Standardmethode: Man stellt einen Chip her, legt ihn in einen Verdünnungskühlschrank, kühlt ihn mehrere Tage lang ab, experimentiert mehrere Wochen lang damit, wärmt ihn wieder auf und legt einen anderen Chip hinein.
Vergleichen Sie das mit dem, was wir bei Transistoren machen: Wir nehmen einen 300-Millimeter-Wafer, legen ihn auf eine Prüfstation, und nach zwei Stunden haben wir Tausende und Abertausende von Datenpunkten auf dem Wafer, die uns etwas über unsere Ausbeute, unsere Gleichmäßigkeit und unsere Leistung sagen.
Das gibt es beim Quantencomputing nicht wirklich. Also haben wir uns gefragt: „Gibt es eine Möglichkeit – bei etwas höheren Temperaturen – eine Sondenstation mit einem Verdünnungskühlschrank zu kombinieren?“ In den letzten zwei Jahren hat Intel mit zwei Unternehmen in Finnland zusammengearbeitet, um den so genannten Kryoprober zu entwickeln. Und dieser wird jetzt gerade in Betrieb genommen. Wir haben eine beeindruckende Arbeit bei der Installation dieses massiven Geräts geleistet, obwohl aufgrund des Coronavirus keine Ingenieure aus Finnland vor Ort waren.
Damit können wir die Zeit bis zur Information um einen Faktor von bis zu 10.000 beschleunigen. Anstatt also eine einzelne Probe zu verdrahten, sie in den Kühlschrank zu legen und eine Woche oder sogar ein paar Tage zu brauchen, um sie zu untersuchen, können wir einen 300-Millimeter-Wafer in dieses Gerät legen und im Laufe eines Abends Schritt für Schritt scannen. Wir werden also eine enorme Steigerung des Durchsatzes erzielen. Ich würde sagen, eine 100-fache Verbesserung. Meine Ingenieure würden sagen 10.000. Ich überlasse es ihnen, mich mit mehr als 100 zu beeindrucken.
Hier ist die andere Sache, die mich nachts wach hält. Bevor ich mit dem Quantencomputerprogramm von Intel begann, war ich in der Components Research Group von Intel für die Verbindungsforschung zuständig. (Das ist die Verdrahtung auf den Chips.) Ich mache mir also etwas weniger Sorgen um die Verdrahtung in und aus dem Kühlschrank als um die Verdrahtung auf dem Chip.
Ich gebe Ihnen ein Beispiel: Ein Intel-Serverchip hat wahrscheinlich mehr als 10 Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip. Doch die Anzahl der Drähte, die von diesem Chip abgehen, beträgt nur ein paar Tausend. Bei einem Quantencomputerchip kommen mehr Drähte vom Chip ab, als es Qubits gibt. Das war bei der Google-Arbeit im letzten Jahr der Fall. Das war beim Tangle Lake-Chip der Fall, den Intel 2018 hergestellt hat, und das ist auch bei den Spin-Qubit-Chips der Fall, die wir jetzt herstellen.
Wir müssen also einen Weg finden, die Verbindungen eleganter zu gestalten. Wir können nicht mehr Drähte aus dem Chip herausführen, als wir Bauelemente auf dem Chip haben. Das ist ineffektiv.
Dies ist etwas, was die konventionelle Computergemeinde in den späten 1960er Jahren mit der Rent’s Rule entdeckt hat. Letztes Jahr haben wir zusammen mit der Technischen Universität Delft eine Arbeit über das Quantenäquivalent von Rent’s Rule veröffentlicht. Darin geht es unter anderem um den Horse-Ridge-Kontrollchip, die heißen Qubits und das Multiplexing.
Wir müssen einen Weg finden, bei niedrigen Temperaturen zu multiplexen. Und das wird schwierig sein. Man kann keinen Quantencomputer mit einer Million Qubits haben, wenn 2 Millionen Koaxialkabel oben aus dem Kühlschrank herauskommen.
Spektrum: Kann Horse Ridge nicht multiplexen?
Clarke: Es hat Multiplexing. Die zweite Generation wird noch ein bisschen mehr haben. Der Formfaktor der Drähte ist viel kleiner, weil wir sie näher am Chip platzieren können.
Wenn Sie also alles kombinieren, worüber ich gesprochen habe. Wenn ich Ihnen ein Gehäuse gebe, in dem ein klassischer Steuerchip – nennen Sie es eine zukünftige Version von Horse Ridge – direkt neben und im selben Gehäuse wie ein Quantenchip sitzt, beide bei einer ähnlichen Temperatur arbeiten und sehr kleine Verbindungsdrähte und Multiplexing nutzen, dann wäre das die Vision.
Spektrum: Was wird dazu nötig sein?
Clarke: Es wird ein paar Dinge erfordern. Es wird Verbesserungen bei der Betriebstemperatur des Steuerchips erfordern. Wahrscheinlich wird es einige neuartige Implementierungen des Gehäuses erfordern, damit es nicht zu einem starken thermischen Übersprechen zwischen den beiden Chips kommt. Es wird wahrscheinlich eine noch größere Kühlkapazität des Verdünnungskühlers erfordern. Und es wird wahrscheinlich eine Qubit-Topologie erfordern, die das Multiplexing erleichtert.
Spektrum: Wie optimistisch sind Sie angesichts der großen technischen Herausforderungen, über die Sie hier gesprochen haben, was die Zukunft des Quantencomputings angeht?
Clarke: Wir bei Intel haben immer wieder betont, dass wir im Quantencomputer-Wettlauf sehr früh dran sind. Jede größere Veränderung in der Halbleiterindustrie hat sich innerhalb eines Jahrzehnts vollzogen, und ich glaube nicht, dass es bei den Quantencomputern anders sein wird. Auch wenn man die damit verbundenen technischen Herausforderungen nicht unterschätzen sollte, so sind das Versprechen und das Potenzial doch real. Ich freue mich darauf, die bedeutenden Fortschritte zu sehen und an ihnen teilzuhaben, nicht nur bei Intel, sondern in der gesamten Branche. Für einen Wandel in der Datenverarbeitung dieser Größenordnung müssen Technologieführer, wissenschaftliche Forschungsgemeinschaften, Akademiker und politische Entscheidungsträger zusammenkommen, um Fortschritte in diesem Bereich zu erzielen, und an dieser Front wird bereits heute im gesamten Quanten-Ökosystem hervorragende Arbeit geleistet.
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