Kvanttilaitteistojen johtaja Jim Clarke selittää yhtiön tietä kohti ”kvanttikäytännöllisyyttä”
Jim Clarke: Clarke: Se on meille yksinkertaista…. Piistä valmistetut spin-kubitit näyttävät täsmälleen transistorilta…. Infrastruktuuri on olemassa työkalujen valmistuksen näkökulmasta. Tiedämme, miten näitä transistoreja tehdään. Jos siis kvanttilaskennan kaltainen teknologia pystytään liittämään tällaiseen yleiseen teknologiaan, kvanttitietokoneen kehitysnäkymät ovat paljon selkeämmät.
Myönnän, että tällä hetkellä piin spin qubitit eivät ole kaikkein kehittynein kvanttilaskentateknologia. Viimeisen vuoden aikana on tapahtunut paljon edistystä suprajohtavien ja ioniloukku qubittien kanssa.
Mutta on vielä muutama asia: Piistä valmistettu spin qubitti on transistorin kokoinen – eli se on noin miljoona kertaa pienempi kuin suprajohtava qubitti. Joten jos otetaan suhteellisen suuri suprajohtava siru ja mietitään ”miten saan käyttökelpoisen määrän qubitteja, vaikkapa 1000 tai miljoona qubittia?”, yhtäkkiä ollaan tekemisissä muotokertoimen kanssa, joka on… pelottava.
Teemme tällä hetkellä palvelinsiruja, joissa on miljardeja ja miljardeja transistoreita. Joten jos spin qubittimme on suunnilleen transistorin kokoinen, muotokertoimen ja energian näkökulmasta odotamme sen skaalautuvan paljon paremmin.
Spektri:
Clarke: Mitä ovat piin spin qubitit ja miten ne eroavat kilpailevasta teknologiasta, kuten suprajohtavista qubiteista ja ioniloukkujärjestelmistä? Ioniloukussa käytetään periaatteessa laseria manipuloimaan metalli-ionia sen kiihdytettyjen tilojen kautta, jolloin kahden kiihdytetyn tilan populaatiotiheys edustaa qubitin nollaa ja ykköstä. Suprajohtavassa piirissä luot sähköisen version epälineaarisesta LC-oskillaattoripiiristä (induktori-kondensaattori), ja käytät tämän oskillaattoripiirin kahta alinta energiatasoa qubittisi nollana ja ykkösenä. Käytät mikroaaltopulssia manipuloidaksesi nolla- ja ykköstilan välillä.
Teemme jotain vastaavaa spin qubitin kanssa, mutta se on hieman erilainen. Kytketään transistori päälle, ja elektronit virtaavat puolelta toiselle. Piistä valmistetussa spin qubitissa vangitset yhden elektronin transistoriin, ja sitten laitat kokonaisuuden magneettikenttään. Tämä suuntaa elektronin joko pyörimään ylös- tai alaspäin. Käytämme sen spin-tilaa qubitin nollana ja ykkösenä.
Se olisi yksittäinen qubitti. Sitten erittäin hyvällä hallinnalla voimme saada kaksi toisistaan erotettua elektronia lähelle toisiaan ja hallita niiden välisen vuorovaikutuksen määrää. Ja se toimii kahden qubitin vuorovaikutuksena.
Siten otamme periaatteessa transistorin, joka toimii yhden elektronin tasolla, saamme sen hyvin lähelle toista transistoria, ja sitten kontrolloimme elektroneja.
Spektri:
Clarke: Vastaan tuohon kahdella tavalla. Ensinnäkin, kahden elektronin välinen vuorovaikutusetäisyys kahden qubitin portin aikaansaamiseksi ei vaadi prosessiltamme liikaa. Teemme pienempiä laitteita joka päivä Intelillä. On muitakin ongelmia, mutta se ei ole yksi niistä.
Tyypillisesti nämä qubitit toimivat eräänlaisella lähimmän naapurin vuorovaikutuksella. Sinulla voi siis olla kaksiulotteinen qubittien ruudukko, ja vuorovaikutusta on periaatteessa vain yhden sen lähimmän naapurin välillä. Ja sitten rakennetaan . Tämä qubitti olisi sitten vuorovaikutuksessa lähimpien naapureidensa kanssa ja niin edelleen. Ja sitten kun kehitetään kietoutunut järjestelmä, niin saadaan täysin kietoutunut 2D-ruutu.
Spektri:
Clarke: Nostamalla esiin tämän teknologian haasteita en sano, että tämä olisi yhtään vaikeampaa kuin muut teknologiat. Esitän tämän, koska varmasti jotkut kirjallisuudesta lukemani asiat viittaavat siihen, että qubitit ovat yksinkertaisia valmistaa tai skaalata. Riippumatta qubiittiteknologiasta, ne ovat kaikki vaikeita.
Spin qubitissa otamme transistorin, jonka läpi normaalisti kulkee elektronivirta, ja sitä käytetään yhden elektronin tasolla. Tämä vastaa sitä, että meillä on yksi elektroni, joka on sijoitettu useiden satojentuhansien piiatomien mereen, ja silti pystymme manipuloimaan sitä, onko sen spin ylös vai spin alas.
Meillä on siis periaatteessa pieni määrä piitä, kutsumme tätä transistorin kanavaksi, ja me ohjaamme yhtä elektronia tuon piipalan sisällä. Haasteena on, että pii, jopa yksikide, ei välttämättä ole niin puhdasta kuin tarvitsemme. Jotkin viat – nämä viat voivat olla ylimääräisiä sidoksia, ne voivat olla varausvirheitä, ne voivat olla sijoiltaanmenoja piissä – nämä kaikki voivat vaikuttaa siihen yksittäiseen elektroniin, jota tutkimme. Tämä on todella materiaalikysymys, jota yritämme ratkaista.
Takaisin alkuun
Spektri:
Clarke: Koherenssiaika on ikkuna, jonka aikana informaatio säilyy qubitissa. Eli piin spin qubitin tapauksessa se on se, kuinka kauan kestää ennen kuin elektroni menettää orientaationsa ja sekoittaa satunnaisesti spin-tilan. Se on qubitin toimintaikkuna.
Kaikilla qubit-tyypeillä on eräänlaiset koherenssiajat. Jotkut ovat parempia kuin toiset. Spin qubittien koherenssiajat, riippuen koherenssiajan mittaustyypistä, voivat olla millisekuntien luokkaa, mikä on aika vakuuttavaa verrattuna muihin teknologioihin.
Mitä pitää tapahtua, on se, että meidän pitää kehittää virheenkorjaustekniikka. Se on monimutkainen tapa sanoa, että aiomme koota yhteen joukon oikeita qubitteja ja saada ne toimimaan yhtenä erittäin hyvänä loogisena qubittina.
Spectrum: Kuinka lähellä tällainen virheenkorjaus on?
Clarke: Se oli yksi niistä neljästä asiasta, joiden todella täytyy tapahtua, jotta voimme toteuttaa kvanttitietokoneen, josta kirjoitin aiemmin. Ensimmäinen on, että tarvitsemme parempia qubitteja. Toinen on, että tarvitsemme parempia yhteyksiä. Kolmanneksi tarvitsemme parempaa valvontaa. Neljänneksi tarvitsemme virheenkorjausta. Tarvitsemme vielä parannuksia kolmeen ensimmäiseen, ennen kuin pääsemme täysin skaalautuvalla tavalla virheenkorjaukseen.
Näemme ryhmiä, jotka alkavat tehdä pieniä virheenkorjauksia vain muutamalla qubitilla. Mutta tarvitsemme parempia qubitteja ja tehokkaampia tapoja kytkeä ja ohjata niitä, ennen kuin näemme täysin vikasietoista kvanttilaskentaa.
Takaisin alkuun
Spektri: Yksi kubittien viimeaikaisista parannuksista oli ”kuumien” piikubittien kehittäminen. Voitko selittää niiden merkityksen?
Clarke:
Juuri nyt sinulla on siru laimennusjääkaapin pohjassa, ja sitten sinulla on jokaista qubittia varten useita johtoja, jotka kulkevat sieltä aina jääkaapin ulkopuolelle asti. Eivätkä nämä ole pieniä johtoja, vaan koaksiaalikaapeleita. Muodon ja tehon näkökulmasta – jokainen näistä johdoista hukkaa tehoa – on siis todellinen skaalautumisongelma.
Yksi Intelin tekemistä asioista on se, että kehitämme ohjaussiruja. Meillä on Horse Ridge -niminen kontrollisiru, joka on tavanomainen CMOS-siru, jonka voimme sijoittaa jääkaappiin qubit-sirumme läheisyyteen. Nykyään tuo kontrollisiru on 4 kelvinin lämpötilassa ja qubit-sirumme on 10 millikelvinin lämpötilassa, ja meillä on silti oltava johdot näiden kahden vaiheen välillä jääkaapissa.
Kuvitelkaa nyt, jos voisimme käyttää qubiittia hieman lämpimämmin. Ja hieman lämpimämmällä tarkoitan ehkä 1 kelvinin verran. Yhtäkkiä jääkaappimme jäähdytysteho muuttuu paljon suuremmaksi. Jääkaappimme jäähdytysteho 10 millikelvinillä on noin milliwatti. Se ei ole paljon tehoa. Yhden kelvinin lämpötilassa se on luultavasti pari wattia. Jos siis pystymme toimimaan korkeammissa lämpötiloissa, voimme sijoittaa ohjauselektroniikan hyvin lähelle qubit-siruamme.
Kuumilla qubiteilla voimme integroida ohjauselektroniikan qubittien kanssa, ja alamme ratkaista joitakin johdotusongelmia, joita näemme nykyisissä varhaisissa kvanttitietokoneissa.
Spektri:
Clarke: Ovatko kuumat qubitit rakenteellisesti samanlaisia kuin tavalliset piin spin qubitit? Jotkut ovat sellaisia, joita kutsuisin pii-MOS-tyyppisiksi qubiteiksi – hyvin samankaltaisia kuin nykyiset transistorimateriaalit. Toisissa pii spin qubiteissa on piitä, joka on haudattu piigermaniumkerroksen alle. Kutsumme sitä haudatuksi kanavalaitteeksi. Kummallakin on omat hyötynsä ja haasteensa.
Olemme tehneet paljon työtä TU Delftin kanssa työskentelemällä tietyntyyppisen materiaalijärjestelmän parissa, joka on hieman erilainen kuin useimmat yhteisössä tutkivat käyttävät järjestelmää hieman korkeammassa lämpötilassa.
Pidin kvanttiylivoimatyöstä. Minä todella pidin. Se on hyväksi yhteisöllemme. Mutta se on keksitty ongelma, raa’alla järjestelmällä, jossa johdotukset ovat sekaisin (tai ainakin monimutkaisia).
Mitä me yritämme tehdä kuumilla qubiteilla ja Horse Ridge -sirulla, on laittaa meidät polulle skaalautumiseen, joka vie meidät käyttökelpoiseen kvanttitietokoneeseen, joka muuttaa sinun tai minun elämäsi. Kutsumme sitä kvanttikäytännöllisyydeksi.
Takaisin alkuun
Spektri: Minkä parissa luulet työskenteleväsi seuraavaksi intensiivisimmin?
Clarke:
On muutamia asioita. Ensimmäinen on aika informaatioon. Suurimmassa osassa yhteisöä käytämme näitä laimennusjääkaappeja. Ja vakiotapa on: Se jäähtyy useiden päivien ajan, sillä tehdään kokeita useiden viikkojen ajan, sitten se lämmitetään uudelleen ja siihen laitetaan uusi siru.
Vertaa sitä siihen, mitä teemme transistoreille: Otamme 300 millimetrin kiekon, asetamme sen koetinasemalle, ja kahden tunnin kuluttua meillä on tuhansia ja taas tuhansia datapisteitä koko kiekosta, jotka kertovat meille jotain saannostamme, tasaisuudestamme ja suorituskyvystämme.
Tätähän ei oikeastaan ole olemassa kvanttilaskennassa. Niinpä kysyimme: ”Onko mahdollista – hieman korkeammissa lämpötiloissa – yhdistää koetinasema ja laimennusjääkaappi?”. Viimeisten kahden vuoden aikana Intel on työskennellyt kahden suomalaisen yrityksen kanssa kehittääkseen niin sanottua kryoproberia. Tämä on juuri nyt tulossa käyttöön. Olemme tehneet vaikuttavaa työtä asentaessamme tätä massiivista laitetta kenttäinsinöörien ollessa täysin poissa Suomesta koronaviruksen takia.
Tämä nopeuttaa tiedonsaantiaikaa jopa 10 000-kertaiseksi. Sen sijaan, että liimaamme yksittäisen näytteen langalla, laitamme sen jääkaappiin ja tutkimme sitä viikon tai jopa muutaman päivän ajan, voimme laittaa 300 millimetrin kiekon tähän laitteeseen ja illan aikana astua ja skannata. Läpimenoaika kasvaa siis valtavasti. Sanoisin, että parannus on 100-kertainen. Insinöörini sanoisivat 10 000. Jätän sen haasteeksi heille, että he voivat tehdä minuun vaikutuksen 100:aa enemmän.
Tässä on toinen asia, joka pitää minut hereillä öisin. Ennen kuin aloitin Intelin kvanttilaskentaohjelman, olin vastuussa liitäntätutkimuksesta Intelin Components Research Groupissa. (Tämä on piirien johdotusta.) Olen siis hieman vähemmän huolissani jääkaappiin menevästä ja sieltä lähtevästä johdotuksesta kuin pelkästään piirin johdotuksesta.
Annan esimerkin: Intelin palvelinsirussa on luultavasti pohjoiseen 10 miljardia transistoria yhdellä sirulla. Silti tuosta sirusta lähtevien johtojen määrä on pari tuhatta. Kvanttilaskentasirulla on enemmän sirusta lähteviä johtoja kuin siellä on qubitteja. Näin oli varmasti Googlen viime vuonna tekemän työn kohdalla. Näin oli varmasti Intelin vuonna 2018 valmistaman Tangle Lake -piirin kohdalla, ja näin on nyt valmistamiemme spin qubit -piirien kohdalla.
Meidän on siis keksittävä keino tehdä liitännöistä tyylikkäämpiä. Meillä ei voi olla enemmän piireistä lähteviä johtoja kuin piireissä on laitteita. Se on tehotonta.
Tämä on jotain, minkä perinteinen laskentayhteisö havaitsi 1960-luvun lopulla Rentin säännön avulla. Viime vuonna julkaisimme yhdessä Delftin teknillisen yliopiston kanssa artikkelin Rentin säännön kvanttivastineesta. Siinä puhutaan muun muassa Horse Ridge -ohjaussirusta, kuumista qubiteista ja multipleksoinnista.
Meidän on löydettävä tapa multipleksoida matalissa lämpötiloissa. Ja se tulee olemaan vaikeaa. Ei voi olla miljoonan qubitin kvanttitietokonetta, jossa on 2 miljoonaa koaksiaalikaapelia, jotka tulevat ulos jääkaapin päältä.
Spektri:
Clarke: Eikö Horse Ridge tee multipleksointia?
Clarke: Eikö Horse Ridge tee multipleksointia? Se käyttää multipleksointia. Toisessa sukupolvessa on vähän enemmän. Johtojen muotokerroin on paljon pienempi, koska voimme laittaa sen lähemmäs sirua.
Jos siis tavallaan yhdistät kaiken, mistä olen puhunut. Jos annan teille paketin, jossa klassinen ohjaussiru – sanotaan sitä vaikka Horse Ridgen tulevaksi versioksi – istuu aivan vieressä ja samassa paketissa kvanttisirun kanssa, molemmat toimivat samankaltaisessa lämpötilassa ja käyttävät hyvin pieniä liitosjohtoja ja multipleksointia, se olisi visio.
Spektri:
Clarke: Se vaatii muutamia asioita. Se vaatii parannuksia ohjaussirun käyttölämpötilaan. Se vaatii luultavasti joitakin uusia pakkaustekniikoita, jotta kahden sirun välillä ei ole paljon lämpökeskustelua. Se vaatii luultavasti vieläkin suurempaa jäähdytyskapasiteettia laimennusjääkaapista. Ja se vaatii luultavasti jonkinlaisen qubit-topologian, joka helpottaa multipleksointia.
Spektri:
Clarke: Intelillä olemme johdonmukaisesti väittäneet, että olemme varhaisessa vaiheessa kvanttikilpailussa. Kaikki suuret muutokset puolijohdeteollisuudessa ovat tapahtuneet vuosikymmenen aikajänteellä, enkä usko, että kvanttiteknologia tulee olemaan erilainen. Vaikka teknisiä haasteita ei pidä aliarvioida, lupaukset ja mahdollisuudet ovat todellisia. Olen innoissani nähdessäni ja osallistuessani merkittävään edistykseen, jota olemme tekemässä, ei vain Intelissä vaan koko alalla. Tämän suuruusluokan tietojenkäsittelyn muutos edellyttää teknologiajohtajien, tieteellisten tutkimusyhteisöjen, korkeakoulujen ja poliittisten päättäjien yhteistoimintaa alan kehityksen edistämiseksi, ja tällä rintamalla kvanttiekosysteemissä tehdään jo nyt valtavasti työtä.
Takaisin alkuun