Direttore dell’hardware quantistico, Jim Clarke spiega il percorso dell’azienda verso la “praticità quantistica”
Jim Clarke: È semplice per noi…. I qubit di spin in silicio assomigliano esattamente a un transistor…. L’infrastruttura c’è dal punto di vista degli strumenti e della fabbricazione. Sappiamo come fare questi transistor. Quindi, se si può prendere una tecnologia come il calcolo quantistico e mapparla su una tecnologia così onnipresente, allora la prospettiva di sviluppare un computer quantistico è molto più chiara.
Concesso che oggi i qubit di spin del silicio non sono la tecnologia di calcolo quantistico più avanzata là fuori. Ci sono stati molti progressi nell’ultimo anno con i qubit superconduttori e a trappola ionica.
Ma ci sono alcune cose in più: Un qubit di spin al silicio ha le dimensioni di un transistor, vale a dire che è circa 1 milione di volte più piccolo di un qubit superconduttore. Quindi, se si prende un chip superconduttore relativamente grande, e si dice “come faccio a raggiungere un numero utile di qubit, diciamo 1.000 o un milione di qubit?” tutto d’un tratto si ha a che fare con un fattore di forma che è… intimidatorio.
Attualmente stiamo facendo chip per server con miliardi e miliardi di transistor. Quindi, se il nostro qubit di spin ha circa le dimensioni di un transistor, dal punto di vista del fattore di forma e dell’energia, ci aspettiamo che sia molto più scalabile.
Spettro: Cosa sono i qubit di spin al silicio e come differiscono dalle tecnologie concorrenti, come i qubit superconduttori e i sistemi a trappola ionica?
Clarke: In una trappola ionica si usa fondamentalmente un laser per manipolare uno ione metallico attraverso i suoi stati eccitati dove la densità di popolazione di due stati eccitati rappresenta lo zero e l’uno del qubit. In un circuito superconduttore, stai creando la versione elettrica di un circuito oscillatore LC (induttore-capacitore) non lineare, e stai usando i due livelli di energia più bassi di quel circuito oscillatore come lo zero e l’uno del tuo qubit. Si usa un impulso a microonde per manipolare tra lo stato zero e uno.
Facciamo qualcosa di simile con il qubit di spin, ma è un po’ diverso. Si accende un transistor e si ha un flusso di elettroni da una parte all’altra. In un qubit di spin al silicio, si intrappola essenzialmente un singolo elettrone nel transistor, e poi si mette il tutto in un campo magnetico. Questo orienta l’elettrone verso l’alto o verso il basso. Stiamo essenzialmente usando il suo stato di spin come lo zero e l’uno del qubit.
Questo sarebbe un qubit individuale. Poi, con un ottimo controllo, possiamo avere due elettroni separati in prossimità e controllare la quantità di interazione tra loro. E questo serve come nostra interazione a due qubit.
Quindi stiamo fondamentalmente prendendo un transistor, operando a livello di singolo elettrone, mettendolo molto vicino a quello che sarebbe un altro transistor, e poi stiamo controllando gli elettroni.
Spettro: La vicinanza tra qubit adiacenti limita la scalabilità del sistema?
Clarke: Risponderò in due modi. In primo luogo, la distanza di interazione tra due elettroni per fornire un gate a due qubit non chiede troppo al nostro processo. Facciamo dispositivi più piccoli ogni giorno alla Intel. Ci sono altri problemi, ma questo non è uno di essi.
Tipicamente, questi qubit operano su una sorta di interazione vicino-vicino. Quindi si potrebbe avere una griglia bidimensionale di qubit, e si avrebbero essenzialmente solo interazioni tra uno dei suoi vicini più vicini. E poi si accumulerebbe. Quel qubit avrebbe poi interazioni con i suoi vicini più vicini e così via. E poi, una volta sviluppato un sistema entangled, è così che si otterrebbe una griglia 2D completamente entangled.
Spettro: Quali sono alcuni dei problemi difficili in questo momento con i qubit di spin al silicio?
Clarke: Evidenziando le sfide di questa tecnologia, non sto dicendo che sia più difficile di altre tecnologie. Sto anticipando questo, perché certamente alcune delle cose che ho letto nella letteratura suggerirebbero che i qubit sono semplici da fabbricare o scalare. Indipendentemente dalla tecnologia dei qubit, sono tutti difficili.
Con un qubit di spin, prendiamo un transistor che normalmente fa passare una corrente di elettroni, e lo facciamo funzionare a livello di singolo elettrone. Questo è l’equivalente di avere un singolo elettrone, inserito in un mare di diverse centinaia di migliaia di atomi di silicio ed essere ancora in grado di manipolare se è spin up o spin down.
Quindi abbiamo essenzialmente una piccola quantità di silicio, lo chiameremo il canale del nostro transistor, e stiamo controllando un singolo elettrone all’interno di quel pezzo di silicio. La sfida è che il silicio, anche un singolo cristallo, può non essere così pulito come ci serve. Alcuni difetti – questi difetti possono essere legami extra, possono essere difetti di carica, possono essere dislocazioni nel silicio – tutti questi possono avere un impatto sul singolo elettrone che stiamo studiando. Questo è davvero un problema di materiali che stiamo cercando di risolvere.
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Spettro: Solo brevemente, cos’è il tempo di coerenza e qual è la sua importanza per l’informatica?
Clarke: Il tempo di coerenza è la finestra durante la quale l’informazione viene mantenuta nel qubit. Quindi, nel caso di un qubit di spin al silicio, è quanto tempo prima che l’elettrone perda il suo orientamento e stravolga casualmente lo stato di spin. È la finestra operativa di un qubit.
Ora, tutti i tipi di qubit hanno ciò che equivale a tempi di coerenza. Alcuni sono migliori di altri. I tempi di coerenza per i qubit di spin, a seconda del tipo di misurazione del tempo di coerenza, possono essere dell’ordine dei millisecondi, il che è piuttosto convincente rispetto ad altre tecnologie.
Quello che deve succedere è che dobbiamo sviluppare una tecnica di correzione degli errori. Questo è un modo complesso per dire che metteremo insieme un mucchio di qubit reali e li faremo funzionare come un unico ottimo qubit logico.
Spettro: Quanto è vicino quel tipo di correzione degli errori?
Clarke: Era uno dei quattro elementi che devono realmente accadere per realizzare un computer quantistico di cui ho scritto prima. Il primo è che abbiamo bisogno di qubit migliori. Il secondo è che abbiamo bisogno di migliori interconnessioni. Il terzo è che abbiamo bisogno di un controllo migliore. E il quarto è che abbiamo bisogno di correzione degli errori. Abbiamo ancora bisogno di miglioramenti sui primi tre prima di arrivare, in modo completamente scalabile, alla correzione degli errori.
Vedrete gruppi che iniziano a fare piccoli pezzi di correzione degli errori su pochi qubit. Ma abbiamo bisogno di qubit migliori e di un modo più efficiente di cablarli e controllarli prima che si possa davvero vedere un calcolo quantistico completamente tollerante agli errori.
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Spettro: Uno dei miglioramenti ai qubit recentemente è stato lo sviluppo di qubit “caldi” in silicio. Puoi spiegare il loro significato?
Clarke: In parte equivale al controllo.
In questo momento hai un chip sul fondo di un frigorifero a diluizione, e poi, per ogni qubit, hai diversi fili che vanno da lì fino all’esterno del frigorifero. E questi non sono fili piccoli, sono cavi coassiali. E così dal punto di vista del fattore di forma e della potenza – ognuno di questi fili dissipa energia – si ha davvero un problema di scala.
Una delle cose che Intel sta facendo è che stiamo sviluppando chip di controllo. Abbiamo un chip di controllo chiamato Horse Ridge che è un chip CMOS convenzionale che possiamo mettere nel frigorifero in prossimità del nostro chip qubit. Oggi quel chip di controllo sta a 4 kelvin e il nostro chip qubit sta a 10 millikelvin e dobbiamo ancora avere dei fili tra queste due fasi nel frigorifero.
Ora, immaginate se possiamo far funzionare il nostro qubit leggermente più caldo. E per leggermente più caldo, intendo forse 1 kelvin. All’improvviso, la capacità di raffreddamento del nostro frigorifero diventa molto più grande. La capacità di raffreddamento del nostro frigorifero a 10 millikelvin è circa un milliwatt. Non è una grande potenza. A 1 kelvin, è probabilmente un paio di watt. Quindi, se possiamo operare a temperature più alte, possiamo mettere l’elettronica di controllo molto vicino al nostro chip qubit.
Avendo qubit caldi possiamo integrare il nostro controllo con i nostri qubit, e cominciamo a risolvere alcuni dei problemi di cablaggio che vediamo nei primi computer quantistici di oggi.
Spectrum: I qubit caldi sono strutturalmente uguali ai normali qubit di spin del silicio?
Clarke: All’interno dei qubit di spin al silicio, ci sono diversi tipi di materiali, alcuni sono quelli che chiamerei qubit di tipo MOS al silicio – molto simili ai materiali dei transistor di oggi. In altri qubit di spin al silicio si ha del silicio sepolto sotto uno strato di germanio di silicio. Lo chiameremo un dispositivo a canale sepolto. Ognuno ha i suoi vantaggi e le sue sfide.
Abbiamo fatto un sacco di lavoro con TU Delft lavorando su un certo tipo di sistema di materiali, che è un po’ diverso da quello che la maggior parte della comunità sta studiando far funzionare il sistema ad una temperatura leggermente più alta.
Ho amato il lavoro sulla supremazia quantistica. L’ho fatto davvero. È un bene per la nostra comunità. Ma è un problema artificioso, su un sistema a forza bruta, dove il cablaggio è un casino (o almeno complesso).
Quello che stiamo cercando di fare con i qubit caldi e con il chip Horse Ridge è metterci su un percorso di scala che ci porterà a un computer quantistico utile che cambierà la tua vita o la mia. Lo chiameremo praticità quantistica.
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Spettro: Su cosa pensi che lavorerai più intensamente la prossima volta?
Clarke: In altre parole, “Cosa tiene Jim sveglio di notte?”
Ci sono alcune cose. La prima è il time-to-information. Nella maggior parte della comunità, usiamo questi frigoriferi di diluizione. E il modo standard è: Si fabbrica un chip; lo si mette in un frigorifero a diluizione; si raffredda nel corso di diversi giorni; lo si sperimenta nel corso di diverse settimane; poi lo si riscalda di nuovo e ci si mette un altro chip.
Confrontate questo con quello che facciamo per i transistor: Prendiamo un wafer di 300 millimetri, lo mettiamo su una stazione sonda, e dopo 2 ore abbiamo migliaia e migliaia di punti dati su tutto il wafer che ci dicono qualcosa sulla nostra resa, la nostra uniformità e le nostre prestazioni.
Questo non esiste davvero nel calcolo quantistico. Così ci siamo chiesti: “C’è un modo – a temperature leggermente più alte – di combinare una stazione sonda con un frigorifero di diluizione? Negli ultimi due anni, Intel ha lavorato con due aziende in Finlandia per sviluppare quello che noi chiamiamo cryoprober. E questo sta andando online solo ora. Abbiamo fatto un lavoro impressionante per installare questo enorme pezzo di equipaggiamento in completa assenza di ingegneri sul campo dalla Finlandia a causa del Coronavirus.
Quello che farà è accelerare il nostro time-to-information di un fattore fino a 10.000. Quindi, invece di legare un singolo campione, metterlo in frigo, impiegare una settimana per studiarlo, o anche qualche giorno per studiarlo, saremo in grado di mettere un wafer da 300 millimetri in questa unità e nel corso di una serata fare un passo e una scansione. Quindi otterremo un enorme aumento della produttività. Direi un miglioramento di 100 X. I miei ingegneri direbbero 10.000. Lascerò loro la sfida di impressionarmi oltre il 100.
Ecco l’altra cosa che mi tiene sveglio la notte. Prima di iniziare il programma di calcolo quantistico di Intel, ero responsabile della ricerca sulle interconnessioni nel gruppo di ricerca sui componenti di Intel. (Questo è il cablaggio sui chip.) Quindi, sono un po’ meno preoccupato del cablaggio in entrata e in uscita dal frigorifero di quanto lo sia del cablaggio sul chip.
Faccio un esempio: Un chip server Intel ha probabilmente più di 10 miliardi di transistor su un singolo chip. Eppure il numero di fili che escono da quel chip è di un paio di migliaia. Un chip di calcolo quantistico ha più fili che escono dal chip di quanti qubit ci siano. Questo è stato certamente il caso del lavoro di Google dell’anno scorso. Questo è stato certamente il caso del chip Tangle Lake che Intel ha prodotto nel 2018, ed è il caso dei nostri chip spin qubit che facciamo ora.
Quindi dobbiamo trovare un modo per rendere le interconnessioni più eleganti. Non possiamo avere più fili che escono dal chip di quanti dispositivi abbiamo sul chip. È inefficace.
Questo è qualcosa che la comunità informatica convenzionale ha scoperto alla fine degli anni ’60 con la regola di Rent. L’anno scorso abbiamo pubblicato un documento con la Technical University Delft sull’equivalente quantistico della regola di Rent. E parla, tra le altre cose, del chip di controllo Horse Ridge, dei qubit caldi e del multiplexing.
Dobbiamo trovare un modo per multiplexare a basse temperature. E questo sarà difficile. Non puoi avere un computer quantistico da un milione di qubit con 2 milioni di cavi coassiali che escono dalla parte superiore del frigorifero.
Spettro: Horse Ridge non fa multiplexing?
Clarke: Ha il multiplexing. La seconda generazione avrà un po’ di più. Il fattore di forma dei fili è molto più piccolo, perché possiamo metterlo più vicino al chip.
Quindi se combinate tutto ciò di cui ho parlato. Se vi do un pacchetto che ha un chip di controllo classico – chiamatelo una versione futura di Horse Ridge – seduto proprio accanto e nello stesso pacchetto di un chip quantistico, entrambi operanti ad una temperatura simile e facendo uso di fili di interconnessione molto piccoli e multiplexing, questa sarebbe la visione.
Spettro: Cosa richiederà?
Clarke: Richiederà alcune cose. Richiederà miglioramenti nella temperatura operativa del chip di controllo. Probabilmente richiederà alcune nuove implementazioni del packaging in modo che non ci sia un sacco di cross talk termico tra i due chip. Probabilmente richiederà una capacità di raffreddamento ancora maggiore dal frigorifero di diluizione. E probabilmente richiederà una topologia di qubit che faciliti il multiplexing.
Spettro: Date le significative sfide tecniche di cui ha parlato qui, quanto è ottimista sul futuro del quantum computing?
Clarke: Alla Intel, abbiamo sempre sostenuto che siamo all’inizio della corsa ai quanti. Ogni grande cambiamento nell’industria dei semiconduttori è avvenuto su una scala temporale di dieci anni e non credo che il quantum sarà diverso. Mentre è importante non sottovalutare le sfide tecniche coinvolte, la promessa e il potenziale sono reali. Sono entusiasta di vedere e partecipare al significativo progresso che stiamo facendo, non solo all’interno di Intel ma nell’intero settore. Un cambiamento informatico di questa portata richiederà che i leader tecnologici, le comunità di ricerca scientifica, il mondo accademico e i politici si uniscano per guidare i progressi nel campo, e c’è già un enorme lavoro in corso su questo fronte in tutto l’ecosistema quantistico oggi.
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