A kvantumhardverek igazgatója, Jim Clarke elmagyarázza a vállalat útját a “kvantum gyakorlatiassága”
Jim Clarke: Clarke: Nekünk ez egyszerű…. A szilícium spin qubitek pontosan úgy néznek ki, mint egy tranzisztor…. Az infrastruktúra megvan a szerszámgyártás szempontjából. Tudjuk, hogyan kell ezeket a tranzisztorokat gyártani. Tehát ha egy olyan technológiát, mint a kvantumszámítás, le tudunk képezni egy ilyen mindenütt jelenlévő technológiára, akkor a kvantumszámítógép kifejlesztésének kilátásai sokkal világosabbak.
Meg kell hagyni, hogy ma a szilícium spin qubitek nem a legfejlettebb kvantumszámítási technológia. Az elmúlt évben sok előrelépés történt a szupravezető és ioncsapdás qubitekkel.
De van még néhány dolog: Egy szilícium spin qubit akkora, mint egy tranzisztor – vagyis nagyjából 1 milliószor kisebb, mint egy szupravezető qubit. Tehát ha veszel egy viszonylag nagy szupravezető chipet, és azt mondod, hogy “hogyan jutok el egy használható számú qubithez, mondjuk 1000 vagy egymillió qubithez?”, akkor hirtelen egy olyan formafaktorral van dolgod, ami… ijesztő.
Jelenleg olyan szerverchipeket gyártunk, amelyeken milliárd és milliárd tranzisztor van. Tehát ha a mi spin qubitünk körülbelül akkora, mint egy tranzisztor, akkor a formafaktor és az energia szempontjából azt várnánk, hogy sokkal jobban skálázódik.
Spektrum:
Clarke: Mik azok a szilícium spin qubitek, és miben különböznek a konkurens technológiáktól, például a szupravezető qubitektől és az ioncsapdás rendszerektől? Az ioncsapdában alapvetően egy lézerrel manipuláljuk a fémiont annak gerjesztett állapotain keresztül, ahol a két gerjesztett állapot populációs sűrűsége képviseli a qubit nulláját és egyesét. Egy szupravezető áramkörben egy nemlineáris LC (induktor-kondenzátor) oszcillátor áramkör elektromos változatát hozod létre, és ennek az oszcillátor áramkörnek a két legalacsonyabb energiaszintjét használod a qubit nullájaként és egyeseként. Mikrohullámú impulzussal manipulálsz a nulla és az egyes állapot között.
Valami hasonlót csinálunk a spin qubittal, de ez egy kicsit más. Bekapcsolsz egy tranzisztort, és az elektronok átáramlanak az egyik oldalról a másikra. A szilícium spin qubitben lényegében egyetlen elektront csapdába ejtesz a tranzisztorban, majd az egészet mágneses mezőbe helyezed. Ez irányítja az elektront, hogy felfelé vagy lefelé pörögjön. Lényegében a spinállapotát használjuk a qubit nullájaként és egyeseként.
Ez egy egyedi qubit lenne. Akkor nagyon jó irányítással két különálló elektront tudunk egymás közelébe juttatni, és szabályozni a köztük lévő kölcsönhatás mértékét. És ez szolgál a két qubit kölcsönhatásaként.
Azaz alapvetően fogunk egy tranzisztort, ami egy elektron szintjén működik, nagyon közel hozzuk egy másik tranzisztorhoz, ami egy másik tranzisztornak felel meg, és aztán irányítjuk az elektronokat.
Spektrum:
Clarke: Korlátozza-e a szomszédos qubitek közelsége a rendszer skálázhatóságát?
Clarke: A szomszédos qubitek közelsége korlátozza a rendszer skálázhatóságát? A kérdésre kétféleképpen fogok válaszolni. Először is, a két elektron közötti kölcsönhatási távolság, hogy két qubit kaput biztosítsunk, nem kér túl sokat a folyamatunktól. Az Intelnél minden nap készítünk kisebb eszközöket. Vannak más problémák is, de ez nem tartozik közéjük.
Tipikusan ezek a qubitek egyfajta legközelebbi szomszédos kölcsönhatáson alapulnak. Tehát lehet, hogy van egy kétdimenziós qubitrácsod, és lényegében csak az egyik legközelebbi szomszédja között van kölcsönhatás. És akkor felépítenénk . Ez a qubit aztán kölcsönhatásba lépne a legközelebbi szomszédjaival, és így tovább. És ha egyszer kialakítasz egy összefonódott rendszert, akkor így kapnál egy teljesen összefonódott 2D-s rácsot.
Spektrum:
Clarke: Nem azt mondom, hogy ez nehezebb, mint más technológiák. Előrebocsátom ezt, mert bizonyára néhány dolog, amit a szakirodalomban olvasok, azt sugallja, hogy a qubiteket egyszerű gyártani vagy méretezni. Függetlenül a qubit technológiától, mindegyik nehéz.
A spin qubit esetében fogunk egy tranzisztort, amelyen normális esetben elektronok áramlanak keresztül, és egyetlen elektron szintjén működtetjük. Ez egyenértékű azzal, mintha egyetlen elektront helyeznénk egy több százezer szilíciumatomból álló tengerbe, és mégis képesek lennénk manipulálni, hogy felfelé vagy lefelé pörögjön.
Így lényegében van egy kis mennyiségű szilíciumunk, nevezzük ezt a tranzisztorunk csatornájának, és egyetlen elektront irányítunk ezen a szilíciumdarabon belül. A kihívás az, hogy a szilícium, még az egykristály is, nem biztos, hogy olyan tiszta, mint amilyenre szükségünk van. Néhány hiba – ezek a hibák lehetnek extra kötések, lehetnek töltéshibák, lehetnek diszlokációk a szilíciumban – ezek mind hatással lehetnek arra az egyetlen elektronra, amelyet vizsgálunk. Ez tényleg egy anyagi kérdés, amit megpróbálunk megoldani.
Vissza a tetejére
Spektrum:
Clarke: Csak röviden, mi az a koherenciaidő, és mi a jelentősége a számítástechnikában? A koherenciaidő az az ablak, amely alatt az információ megmarad a qubitben. Tehát egy szilícium spin qubit esetében ez az, hogy mennyi idő alatt veszíti el az elektron az orientációját, és véletlenszerűen megzavarja a spin állapotát. Ez a qubit működési ablaka.
Most, minden qubit típusnak van egyfajta koherenciaideje. Némelyik jobb, mint a többi. A spin qubitek koherenciaideje, a koherenciaidő-mérés típusától függően, milliszekundumos nagyságrendű lehet, ami más technológiákhoz képest elég meggyőző.
Az, aminek történnie kell, az az, hogy ki kell fejlesztenünk egy hibajavító technikát. Ez egy bonyolult módja annak, hogy azt mondjuk, hogy egy csomó valódi qubitet fogunk összerakni, és egy nagyon jó logikai qubitként fog működni.
Spektrum: Mennyire áll közel ez a fajta hibajavítás?
Clarke: Ez egyike volt annak a négy elemnek, aminek valóban meg kell történnie ahhoz, hogy megvalósíthassunk egy kvantumszámítógépet, amiről korábban írtam. Az első, hogy jobb qubitekre van szükségünk. A második, hogy jobb összeköttetésekre van szükségünk. A harmadik, hogy jobb vezérlésre van szükségünk. A negyedik pedig az, hogy hibajavításra van szükségünk. Az első háromban még mindig szükségünk van fejlesztésekre, mielőtt valóban teljesen skálázható módon eljutnánk a hibajavításhoz.
Láthatjuk, hogy csoportok elkezdenek kis hibajavításokat végezni néhány qubiten. De jobb qubitekre van szükségünk, és hatékonyabb módon kell őket összekötnünk és vezérelnünk, mielőtt valóban teljesen hibatűrő kvantumszámítást láthatnánk.
Vissza a tetejére
Spektrum: A qubitekkel kapcsolatos egyik fejlesztés a közelmúltban a “forró” szilícium qubitek kifejlesztése volt. El tudná magyarázni a jelentőségüket?
Clarke:
Most van egy chip a hígító hűtőszekrény alján, és aztán minden qubithez több vezeték is tartozik, amelyek onnan egészen a hűtőszekrényen kívülre vezetnek. És ezek nem kis vezetékek; ezek koax kábelek. Így a forma és az energia szempontjából – minden egyes ilyen vezeték energiát veszít el – valóban méretezési problémával kell szembenéznünk.
Az egyik dolog, amit az Intel csinál, hogy vezérlőchipeket fejlesztünk. Van egy Horse Ridge nevű vezérlőchipünk, ami egy hagyományos CMOS chip, amit a qubit chipünkhöz közel, a hűtőszekrényben tudunk elhelyezni. Ma ez a vezérlőchip 4 kelvin hőmérsékleten van, a qubit chipünk pedig 10 millikelvin hőmérsékleten, és még mindig vezetékeket kell elhelyeznünk a hűtőszekrényben a két fokozat között.
Most, képzeljük el, ha a qubitünket egy kicsit melegebben tudjuk működtetni. És a kissé melegebb alatt talán 1 kelvint értek. Hirtelen a hűtőnk hűtőkapacitása sokkal nagyobb lesz. A hűtőnk hűtőkapacitása 10 milikelvinnél nagyjából egy milliwatt. Ez nem sok energia. 1 kelvinnél ez valószínűleg néhány watt. Tehát, ha magasabb hőmérsékleten tudunk működni, akkor a vezérlő elektronikát nagyon közel tudjuk elhelyezni a qubit chipünkhöz.
A forró qubitekkel együtt tudjuk integrálni a vezérlést a qubitjeinkkel, és elkezdjük megoldani a mai korai kvantumszámítógépeknél tapasztalt vezetékezési problémákat.
Spektrum:
Clarke: A forró qubitek szerkezetileg ugyanazok, mint a hagyományos szilícium spin qubitek? Néhányat szilícium MOS-típusú qubitnek neveznék – nagyon hasonló a mai tranzisztorok anyagaihoz. Más szilícium spin qubitekben szilícium van, ami egy szilícium-germánium réteg alatt van eltemetve. Ezt nevezzük eltemetett csatornás eszköznek. Mindegyiknek megvannak az előnyei és a kihívásai.
A TU Delft-tel sokat dolgoztunk egy bizonyos típusú anyagi rendszeren, ami egy kicsit más, mint amit a közösségben a legtöbben tanulmányoznak, a rendszert egy kicsit magasabb hőmérsékleten működtetik.
A kvantumfölényes munkát szerettem. Tényleg nagyon tetszett. Ez jót tesz a közösségünknek. De ez egy mesterkélt probléma, egy nyers erővel működő rendszeren, ahol a vezetékezés egy zűrzavar (vagy legalábbis bonyolult).
Azt próbáljuk elérni a forró qubitekkel és a Horse Ridge-i chippel, hogy olyan skálázási útra lépjünk, ami elvezet minket egy hasznos kvantumszámítógéphez, ami megváltoztatja a te vagy az én életemet. Ezt nevezzük kvantumpraktikusságnak.
Vissza a tetejére
Spektrum:
Clarke: Mit gondolsz, min fogsz legintenzívebben dolgozni legközelebb?
Van néhány dolog. Az első az információhoz szükséges idő. A közösség nagy részében ezeket a hígító hűtőszekrényeket használjuk. És a standard módszer a következő: Elkészítesz egy chipet; beteszed egy hígító hűtőszekrénybe; néhány nap alatt lehűl; több hétig kísérletezel vele; aztán felmelegíted és beteszel egy másik chipet.
Verseld ezt azzal, amit a tranzisztoroknál csinálunk: Fogunk egy 300 milliméteres ostyát, rátesszük egy szondaállomásra, és 2 óra elteltével több ezer és ezer adatpontot kapunk az ostyán, ami elárul valamit a hozamról, az egyenletességről és a teljesítményről.
A kvantumszámítástechnikában ez nem igazán létezik. Ezért azt kérdeztük: “Van-e mód – valamivel magasabb hőmérsékleten – egy szondás állomás és egy hígító hűtőszekrény kombinálására?”. Az elmúlt két évben az Intel két finnországi céggel együttműködve fejlesztette ki azt, amit mi krioprobernek nevezünk. És ez most lépett működésbe. Lenyűgöző munkát végeztünk ennek a hatalmas berendezésnek a telepítésében, miközben a finnországi terepi mérnökök a koronavírus miatt teljesen hiányoztak.”
Mivel ez akár tízezerszeresére is felgyorsítja az információhoz jutási időnket. Tehát ahelyett, hogy egyetlen mintát drótkötéssel összekötnénk, betennénk a hűtőszekrénybe, és egy hétig, vagy akár néhány napig tartana a tanulmányozása, képesek leszünk egy 300 milliméteres ostyát betenni ebbe a készülékbe, és egy este alatt egy lépést tenni és letapogatni. Tehát óriási növekedést fogunk elérni az áteresztőképességben. Azt mondanám, hogy 100-szoros javulást. A mérnökeim szerint 10 000-et. Ezt meghagyom nekik kihívásként, hogy lenyűgözzenek a 100-on túl.
Itt a másik dolog, ami éjszakánként ébren tart. Az Intel kvantumszámítástechnikai programjának megkezdése előtt az Intel Components Research Groupban az összeköttetések kutatásáért voltam felelős. (Ez a chipeken lévő vezetékezés.) Szóval engem egy kicsit kevésbé érdekel a hűtőszekrénybe való be- és kivezetés, mint csak a chipen lévő vezetékezés.
Mondok egy példát: Egy Intel szerverchip valószínűleg 10 milliárd tranzisztort tartalmaz egyetlen chipen. Mégis a chipről leváló vezetékek száma pár ezer. Egy kvantumszámítógépes chipről több vezeték jön le, mint ahány qubit van. Ez minden bizonnyal így volt a Google tavalyi munkája esetében is. Minden bizonnyal ez volt a helyzet az Intel által 2018-ban gyártott Tangle Lake chip esetében, és ez a helyzet a most gyártott spin qubit chipjeink esetében is.
Az összeköttetéseket tehát elegánsabbá kell tennünk. Nem lehet több vezetékünk a chipről, mint amennyi eszközünk van a chipen. Ez hatástalan.
Ezt a hagyományos számítástechnikai közösség az 1960-as évek végén fedezte fel a Rent-szabállyal. Tavaly a Delfti Műszaki Egyetemmel közösen publikáltunk egy tanulmányt a Rent-szabály kvantumos megfelelőjéről. És ez többek között a Horse Ridge vezérlőchipről, a forró qubitekről és a multiplexelésről szól.
Meg kell találnunk a módját, hogy alacsony hőmérsékleten is multiplexelhessünk. És ez nehéz lesz. Nem lehet egy millió kvantumkvantumszámítógépünk úgy, hogy 2 millió koaxkábel jön ki a hűtőszekrény tetejéből.
Spektrum: Clark: A Horse Ridge nem multiplexel?
Clarke: A Horse Ridge nem multiplexel?
Clarke: A Horse Ridge nem multiplexel? Ridge Ridge: Van multiplexelés. A második generációban egy kicsit több lesz. A vezetékek formai tényezője sokkal kisebb, mert közelebb tudjuk helyezni a chiphez.
Szóval, ha úgymond kombináljuk mindazt, amiről beszéltem. Ha adok egy olyan csomagot, amelyben egy klasszikus vezérlőchip – nevezzük a Horse Ridge jövőbeli változatának – közvetlenül egy kvantumchip mellett és ugyanabban a csomagban helyezkedik el, mindkettő hasonló hőmérsékleten működik, és nagyon kis összekötő vezetékeket és multiplexelést használ, ez lenne a vízió.
Spektrum:
Clarke: Mire lesz ehhez szükség? Clark: Ehhez szükség lesz néhány dologra. A vezérlőchip üzemi hőmérsékletének javítására lesz szükség. Valószínűleg szükség lesz a csomagolás újszerű megvalósítására, hogy ne legyen sok termikus keresztbeszélgetés a két chip között. Valószínűleg még nagyobb hűtési kapacitást igényel a hígító hűtőszekrénytől. És valószínűleg olyan qubit topológiára lesz szükség, amely megkönnyíti a multiplexelést.
Spektrum:
Clarke: Tekintettel a jelentős technikai kihívásokra, amelyekről itt beszélt, mennyire optimista a kvantumszámítástechnika jövőjével kapcsolatban?
Clark: Az Intelnél következetesen fenntartjuk, hogy a kvantumos versenyben még korán vagyunk. A félvezetőiparban minden nagyobb változás az évtizedes időskálán történt, és nem hiszem, hogy a kvantum számítástechnika másképp lesz. Bár fontos, hogy ne becsüljük alá a technikai kihívásokat, az ígéretek és a lehetőségek valósak. Izgatottan várom, hogy láthassam és részese lehessek annak a jelentős fejlődésnek, amelyet nemcsak az Intelen belül, hanem az egész iparágban elértünk. Egy ilyen nagyságrendű számítástechnikai váltáshoz a technológiai vezetők, a tudományos kutatóközösségek, a tudományos élet és a politikai döntéshozók összefogására lesz szükség, hogy a terület fejlődését előmozdítsák, és már ma is óriási munka folyik ezen a fronton a kvantum ökoszisztémában.
Vissza a tetejére