Director of quantum hardware, Jim Clarke explains the path of the company towards “quantum practicality”
Jim Clarke氏。 私たちにとっては簡単なことなのですが……。 シリコンのスピン量子ビットは、トランジスタとまったく同じように見えますが……。 ツール・ファブリケーションの観点から、インフラは整っています。 私たちはこのトランジスタの作り方を知っているのです。 量子コンピュータのような技術を、このようなユビキタスな技術に対応させることができれば、量子コンピュータの開発の見通しがより明確になります。
現在のシリコン・スピン量子ビットは、最先端の量子コンピュータ技術ではないことは認めます。 昨年、超伝導やイオントラップ量子ビットで多くの進展がありました。
しかし、もう少しあります。 シリコンのスピン量子ビットはトランジスタの大きさ、つまり超伝導量子ビットの約100万分の1です。 ですから、比較的大きな超伝導チップを使用して、「どうすれば有用な量子ビット数、たとえば 1,000 や 100 万量子ビットを達成できるか」というと、突然、威圧的なフォームファクターを扱うことになります。 ですから、もし私たちのスピン量子ビットがトランジスタ程度の大きさであれば、フォームファクターとエネルギーの観点から、はるかに優れたスケーラビリティが期待できます」
Spectrum: シリコン・スピン量子ビットはどのようなもので、超伝導量子ビットやイオントラップ・システムといった競合技術とどのように違うのでしょうか。 イオントラップでは、基本的にレーザーで金属イオンを操作し、その励起状態を通じて、2つの励起状態の人口密度が量子ビットの0と1を表します。 超伝導回路では、非線形LC（インダクタ・キャパシタ）発振回路の電気版を作り、その発振回路の2つの最低エネルギーレベルを量子ビットの0と1として使っているのです。 マイクロ波パルスを使用して、ゼロと1の状態を操作するのです。 トランジスタをオンにすると、一方から他方へ電子が流れます。 シリコンのスピン量子ビットは、基本的に電子を1つだけトランジスタに閉じ込め、全体を磁場にかけます。 これにより、電子はスピンアップするか、スピンダウンするかのどちらかに傾く。 私たちは本質的に、そのスピン状態を量子ビットの0と1として使っているのです。 それから、非常にうまく制御すれば、2つの分離した電子を近接させ、それらの間の相互作用の量を制御することができます。
つまり、基本的には単一電子レベルで動作するトランジスタを、別のトランジスタに相当するものに非常に近接させて、電子を制御しているわけです。 隣接する量子ビットが近接していることで、システムがどのように拡張できるかが制限されるのでしょうか。 2つの方法でそれに答えるつもりです。 まず、2 つの電子間の相互作用距離で 2 つの量子ビットのゲートを提供することは、当社のプロセスに過度な要求をするものではありません。 インテルでは、より小さなデバイスを毎日作っています。
一般的に、これらの量子ビットは、ある種の最近接相互作用で動作します。 つまり、2次元の量子ビットのグリッドがあり、基本的にその最近傍の1つの間でしか相互作用しないでしょう。 そして、それを積み重ねていくのです。 その量子ビットは、その最近傍との相互作用を持つようになり、さらにその近傍との相互作用を持つようになります。 そして、一度もつれたシステムを開発すると、完全にもつれた2次元グリッドを手に入れることができるのです。
スペクトラム。 シリコンスピンクビットで今難しい問題は何ですか？
Clarke: この技術の課題を強調することで、これが他の技術よりも難しいと言っているわけではありません。 というのも、確かに文献を読むと、量子ビットの作製やスケールアップは簡単だと思われるものがあるからです。
スピン量子ビットの場合、通常は電子の流れがあるトランジスタを、単一電子レベルで動作させます。 これは、数十万個のシリコン原子の海に置かれた1個の電子が、スピンアップかスピンダウンかを操作できるのと同じです。
つまり、本質的に少量のシリコンがあり、これをトランジスタのチャネルと呼び、そのシリコンの一部で1個の電子を制御しているのです。 課題は、シリコンが単結晶であっても、必要なほどクリーンでない場合があることです。 シリコンの欠陥（余分な結合、電荷欠陥、転位など）は、研究対象の単電子に影響を与える可能性があるのです。 これはまさに、私たちが解決しようとしている材料の問題なのです。
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スペクトル。 コヒーレンス時間とは何でしょうか、またコンピューティングにおけるその重要性は何でしょうか。 コヒーレンス時間とは、量子ビットに情報が保持される時間のことです。 つまり、シリコンのスピン量子ビットの場合、電子がその方向を失い、ランダムにスピン状態をスクランブルするまでの時間ということになります。
さて、すべてのタイプの量子ビットには、コヒーレンス時間なるものが存在します。 あるものは他より優れている。 コヒーレンス時間測定の種類によりますが、スピンクビットのコヒーレンス時間はミリ秒のオーダーになることがあり、これは他の技術と比べてかなり説得力があります。
起こるべきことは、エラー訂正技術を開発する必要があるということです。 これは、私たちが本物の量子ビットの束をまとめ、それらが1つの非常に優れた論理的量子ビットとして機能するようにするという複雑な方法です。
スペクトラム：その種のエラー訂正はどれくらい近いものですか？
クラーク。 これは、私が以前に書いた、量子コンピュータを実現するために本当に必要な4つの項目のうちの1つです。 1つ目は、より優れた量子ビットが必要だということです。 2つ目は、より優れたインターコネクトが必要なことです。 3つ目は、より優れた制御が必要なこと。 そして4つ目は、エラー訂正です。
いくつかの量子ビットで少しずつエラー訂正を始めているグループが見られますが、完全にスケーラブルな方法でエラー訂正を行うには、最初の3つについてまだ改善が必要です。 しかし、フォールト トレラントな量子コンピューティングを実現するには、より優れた量子ビットが必要であり、それらを配線し制御する、より効率的な方法が必要なのです。 最近の量子ビットの改良の1つは、「ホット」シリコン量子ビットの開発でした。 その意義を説明していただけますか？
Clarke:
現在、希釈冷蔵庫の底にチップがあり、そこから冷蔵庫の外まで、すべての量子ビットに対して、いくつかの配線があります。 しかも、これらは小さなワイヤーではなく、同軸ケーブルです。 フォームファクターの観点と電力の観点 (これらのワイヤのそれぞれが電力を消費する) から、スケーリングの問題があります。 Walden Kirsch/Intel Corp.
インテルがやっていることの1つは、コントロールチップの開発です。 Horse Ridgeと呼ばれる制御チップは、従来のCMOSチップで、冷蔵庫の中で量子ビットチップに近接して置くことができます。 現在、制御チップは4ケルビン、量子ビットチップは10ミリケルビンで、冷蔵庫の中のこの2つのステージの間にはまだ配線が必要です。 少し暖かいというのは、たぶん1ケルビンということです。 突然ですが、冷蔵庫の冷却能力が格段に上がります。 10ミリケルビンでの冷蔵庫の冷却能力は、およそ1ミリワットです。 これはたいした電力ではありません。 1ケルビンの場合は、おそらく2〜3ワットでしょう。 高温で動作させることができれば、制御電子機器を量子ビットチップのすぐ近くに配置することができます。
高温の量子ビットを持つことによって、制御と量子ビットを一体化することができ、今日の初期の量子コンピュータに見られる配線の問題のいくつかを解決し始めることができます。 ホット量子ビットは、構造的には通常のシリコンスピンクォビットと同じですか。 シリコン スピンクォビットには、いくつかの異なるタイプの材料があり、シリコン MOS 型クォビットと呼ばれる、今日のトランジスタ材料に非常によく似たものもあります。 他のシリコンスピンクォビットでは、シリコンをシリコンゲルマニウムの層の下に埋め込んでいます。 これは埋もれたチャネルデバイスと呼ばれます。
私たちはデルフト工科大学と共同で、ある種の材料系を研究しています。これは、ほとんどの研究者がシステムを少し高温で操作するのとは少し違います。 本当にそうです。 それは私たちのコミュニティにとって良いことです。 しかしそれは、配線がめちゃくちゃな (あるいは少なくとも複雑な) 強引なシステムで、作為的な問題でした。
ホット量子ビットと Horse Ridge チップで私たちがしようとしていることは、あなたや私の人生を変えるような有用な量子コンピュータを実現するためのスケーリングの道筋をつけるということです。 それを私たちは「量子実用化」と呼ぶことにします。
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スペクトル。 次に最も力を入れて取り組むことは何だと思いますか。
クラークです。 言い換えれば、「何がジムを夜眠らせないのか」です。
いくつかあります。 1つ目は、「情報への時間」です。 コミュニティのほとんどで、私たちはこの希釈冷蔵庫を使用しています。 そして、標準的な方法は チップを製造し、それを希釈冷凍機に入れ、数日間かけて冷却し、数週間かけて実験し、その後、再び温めて別のチップを入れるのです。 300mmのウェーハをプローブステーションに置き、2時間後には、ウェーハ全体の何千ものデータポイントがあり、歩留まり、均一性、パフォーマンスについて何かを教えてくれます。 そこで私たちは、「少し高い温度で、プローブ ステーションと希釈冷凍機を組み合わせる方法はないだろうか」と考えました。 この 2 年間、インテルはフィンランドの 2 社と協力して、クライオプローバと呼ばれるものを開発しました。 そして、これが今、オンラインになったところです。 コロナウイルスのためにフィンランドのフィールドエンジニアが完全に不在の中、この巨大な装置を設置するという素晴らしい仕事をしてきました。
これで何ができるかというと、情報を得るまでの時間を最大1万分の1にまで速めることができるようになるのです。 つまり、1つのサンプルをワイヤーボンディングして冷蔵庫に入れ、1週間、あるいは数日かけて研究する代わりに、このユニットに300mmのウェハーを入れ、一晩かけてステップとスキャンを行うことができるようになるのです。 つまり、スループットが飛躍的に向上するのです。 私なら100倍は進歩すると思います。 私のエンジニアは1万と言うでしょう。
ここでもう1つ、私が夜も眠れないことがあります。 インテルの量子コンピュータ・プログラムを始める前、私はインテルのコンポーネント研究グループでインターコネクトの研究を担当していました。 (チップ上の配線よりも、冷蔵庫への出入りの配線のほうが少し気になります。 Intel 社のサーバー チップには、1 つのチップにおそらく 100 億個以上のトランジスタがあります。 しかし、そのチップから出ているワイヤの数は数千本です。 量子コンピュータのチップは、量子ビットの数よりも多くのワイヤーをチップから取り出しています。 昨年のグーグルの研究がそうであったように。 2018年にIntelが製造したTangle Lakeチップでは確かにそうでしたし、私たちが今作っているスピンクビットチップでもそうです
ですから、インターコネクトをよりエレガントにする方法を探さなければなりません。 チップ上にあるデバイスの数より、チップから出るワイヤの数の方が多いということはありえません。 これは、従来のコンピューティング コミュニティが、1960 年代後半にレントの法則で発見したことです。 昨年、私たちはデルフト工科大学と共同で、レントの法則の量子的等価性についての論文を発表しました。 この論文では、特に Horse Ridge 制御チップ、ホットクビット、マルチプレキシングについて述べています。 そしてそれは難しいでしょう。 冷蔵庫の上から200万本の同軸ケーブルを出して、100万量子ビットの量子コンピュータは無理です。
スペクトラム。 Horse Ridgeは多重化をしないのですか？
Clarke: マルチプレキシングを行っています。 第2世代ではもう少し増えるでしょう。 ワイヤのフォームファクターは、チップの近くに配置できるため、かなり小さくなります。
つまり、私が話したことをすべて組み合わせると、このようになります。 古典的な制御チップ (未来の Horse Ridge と呼んでください) が、量子チップと同じパッケージのすぐ隣にあり、同じ温度で動作し、非常に小さなインターコネクト ワイヤと多重化を利用したパッケージを提供すれば、それがビジョンになるでしょう。
そのために必要なことは何でしょうか。 いくつかのことが必要になるでしょう。 制御チップの動作温度の向上が必要です。 おそらく、2つのチップ間で熱のクロストークが起きないように、パッケージの新しい実装が必要になるのでしょう。 おそらく、希釈冷凍機による冷却能力をさらに高める必要があるでしょう。 そしておそらく、多重化を促進するいくつかの量子ビット トポロジーが必要になるでしょう。 ここでお話ししたような重大な技術的課題を考えると、量子コンピューティングの将来について、あなたはどれほど楽観的でしょうか。
クラーク。 インテルでは、一貫して、私たちは量子レースの初期段階にいることを維持してきました。 半導体業界の大きな変化はすべて10年単位で起こっており、量子も同じだと考えています。 技術的な課題を過小評価しないことは重要ですが、その将来性と可能性は本物です。 私は、インテルだけでなく、業界全体が有意義な進歩を遂げているのを目の当たりにし、それに参加できることに興奮しています。 この規模のコンピューティング シフトには、テクノロジー リーダー、科学研究コミュニティ、学界、および政策立案者すべてが一丸となってこの分野の進歩を推進する必要がありますが、現在すでに、量子エコシステム全体でそのための素晴らしい取り組みが行われています」
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