El director de hardware cuántico, Jim Clarke, explica el camino de la compañía hacia la «practicidad cuántica»
Jim Clarke: Es sencillo para nosotros…. Los qubits de espín de silicio tienen el mismo aspecto que un transistor…. La infraestructura está ahí desde la perspectiva de la fabricación de herramientas. Sabemos cómo hacer estos transistores. Así que si se puede tomar una tecnología como la computación cuántica y trasladarla a una tecnología tan omnipresente, la perspectiva de desarrollar un ordenador cuántico es mucho más clara.
Admitiría que hoy en día los qubits de espín de silicio no son la tecnología de computación cuántica más avanzada que existe. En el último año se ha avanzado mucho con los qubits superconductores y de trampa de iones.
Pero hay algunas cosas más: Un qubit de espín de silicio tiene el tamaño de un transistor, es decir, es aproximadamente 1 millón de veces más pequeño que un qubit superconductor. Así que si tomas un chip superconductor relativamente grande, y dices «¿cómo puedo llegar a un número útil de qubits, digamos 1.000 o un millón de qubits?», de repente estás tratando con un factor de forma que es… intimidante.
Actualmente estamos haciendo chips de servidor con miles de millones y miles de millones de transistores en ellos. Así que si nuestro qubit de espín tiene el tamaño de un transistor, desde la perspectiva del factor de forma y de la energía, esperaríamos que escalara mucho mejor.
Spectrum: ¿Qué son los qubits de espín de silicio y en qué se diferencian de la tecnología de la competencia, como los qubits superconductores y los sistemas de trampas de iones?
Clarke: En una trampa de iones se utiliza básicamente un láser para manipular un ion metálico a través de sus estados excitados, donde la densidad de población de dos estados excitados representa el cero y el uno del qubit. En un circuito superconductor, estás creando la versión eléctrica de un circuito oscilador LC (inductor-capacitor) no lineal, y estás utilizando los dos niveles de energía más bajos de ese circuito oscilador como el cero y el uno de tu qubit. Usas un pulso de microondas para manipular entre el estado cero y uno.
Hacemos algo similar con el qubit de espín, pero es un poco diferente. Enciendes un transistor, y tienes un flujo de electrones de un lado a otro. En un qubit de espín de silicio, esencialmente se atrapa un solo electrón en el transistor, y luego se pone toda la cosa en un campo magnético. Esto orienta al electrón a girar hacia arriba o hacia abajo. Esencialmente estamos usando su estado de espín como el cero y el uno del qubit.
Eso sería un qubit individual. Entonces, con un muy buen control, podemos conseguir dos electrones separados en estrecha proximidad y controlar la cantidad de interacción entre ellos. Y eso sirve como nuestra interacción de dos qubits.
Así que básicamente estamos tomando un transistor, operando a nivel de un solo electrón, poniéndolo muy cerca de lo que equivaldría a otro transistor, y entonces estamos controlando los electrones.
Espectro: ¿La proximidad entre qubits adyacentes limita la escala del sistema?
Clarke: Voy a responder a eso de dos maneras. En primer lugar, la distancia de interacción entre dos electrones para proporcionar una puerta de dos qubits no exige demasiado de nuestro proceso. En Intel hacemos dispositivos más pequeños todos los días. Hay otros problemas, pero ese no es uno de ellos.
Típicamente, estos qubits operan en una especie de interacción de vecino más cercano. Así que podrías tener una red bidimensional de qubits, y esencialmente sólo tendrías interacciones entre uno de sus vecinos más cercanos. Y entonces se acumularía . Ese qubit tendría entonces interacciones con sus vecinos más cercanos y así sucesivamente. Y entonces una vez que desarrolles un sistema enredado, así es como obtendrías una red 2D totalmente enredada.
Espectro: ¿Cuáles son algunos de los problemas difíciles ahora mismo con los qubits de espín de silicio?
Clarke: Al destacar los retos de esta tecnología, no estoy diciendo que sea más difícil que otras tecnologías. Lo adelanto porque, ciertamente, algunas de las cosas que he leído en la literatura sugieren que los qubits son sencillos de fabricar o escalar. Independientemente de la tecnología de los qubits, todos son difíciles.
Con un qubit de espín, tomamos un transistor por el que normalmente pasa una corriente de electrones, y lo hacemos funcionar a nivel de un solo electrón. Esto es el equivalente a tener un solo electrón, colocado en un mar de varios cientos de miles de átomos de silicio y aún así ser capaz de manipular si está girando hacia arriba o hacia abajo.
Así que esencialmente tenemos una pequeña cantidad de silicio, lo llamaremos el canal de nuestro transistor, y estamos controlando un solo electrón dentro de esa pieza de silicio. El reto es que el silicio, incluso un solo cristal, puede no ser tan limpio como lo necesitamos. Algunos de los defectos -pueden ser enlaces adicionales, pueden ser defectos de carga, pueden ser dislocaciones en el silicio- pueden afectar a ese único electrón que estamos estudiando. Se trata realmente de un problema de materiales que estamos tratando de resolver.
Volver al principio
Espectro: Brevemente, ¿qué es el tiempo de coherencia y cuál es su importancia para la computación?
Clarke: El tiempo de coherencia es la ventana durante la cual la información se mantiene en el qubit. Así, en el caso de un qubit de espín de silicio, es el tiempo que transcurre antes de que ese electrón pierda su orientación, y revuelva aleatoriamente el estado de espín. Es la ventana de funcionamiento de un qubit.
Ahora, todos los tipos de qubit tienen lo que equivale a tiempos de coherencia. Algunos son mejores que otros. Los tiempos de coherencia para los qubits de espín, dependiendo del tipo de medición del tiempo de coherencia, pueden ser del orden de milisegundos, lo que es bastante convincente en comparación con otras tecnologías.
Lo que tiene que ocurrir es que tenemos que desarrollar una técnica de corrección de errores. Esa es una forma compleja de decir que vamos a juntar un montón de qubits reales y hacer que funcionen como un qubit lógico muy bueno.
Spectrum: ¿Qué tan cerca está ese tipo de corrección de errores?
Clarke: Era uno de los cuatro puntos que realmente deben ocurrir para que realicemos una computadora cuántica de la que escribí antes. El primero es que necesitamos mejores qubits. El segundo es que necesitamos mejores interconexiones. El tercero es que necesitamos un mejor control. Y la cuarta es que necesitamos corrección de errores. Todavía necesitamos mejoras en las tres primeras antes de llegar, de forma totalmente escalable, a la corrección de errores.
Verás que hay grupos que empiezan a hacer pequeñas correcciones de errores en unos pocos qubits. Pero necesitamos mejores qubits y una forma más eficiente de conectarlos y controlarlos antes de que podamos ver una computación cuántica totalmente tolerante a fallos.
Volver al principio
Espectro: Una de las mejoras introducidas recientemente en los qubits ha sido el desarrollo de qubits de silicio «calientes». ¿Puede explicar su importancia?
Clarke: En parte equivale al control.
Ahora mismo tienes un chip en el fondo de un refrigerador de dilución, y luego, por cada qubit, tienes varios cables que van desde ahí hasta el exterior del refrigerador. Y estos no son cables pequeños; son cables coaxiales. Así que, desde el punto de vista del factor de forma y de la energía -cada uno de estos cables disipa energía-, realmente tenemos un problema de escalado.
Una de las cosas que está haciendo Intel es que estamos desarrollando chips de control. Tenemos un chip de control llamado Horse Ridge que es un chip CMOS convencional que podemos colocar en la nevera muy cerca de nuestro chip qubit. Hoy ese chip de control está a 4 kelvins y nuestro chip qubit está a 10 milikelvins y todavía tenemos que tener cables entre esas dos etapas en la nevera.
Ahora, imagina si podemos operar nuestro qubit ligeramente más caliente. Y por ligeramente más caliente, quiero decir tal vez 1 kelvin. De repente, la capacidad de enfriamiento de nuestra nevera se vuelve mucho mayor. La capacidad de enfriamiento de nuestra nevera a 10 milikelvin es aproximadamente un milivatio. Eso no es mucha potencia. A 1 kelvin, es probablemente un par de vatios. Así que, si podemos operar a temperaturas más altas, podemos colocar la electrónica de control muy cerca de nuestro chip qubit.
Al tener qubits calientes podemos co-integrar nuestro control con nuestros qubits, y empezamos a resolver algunos de los problemas de cableado que estamos viendo en los primeros ordenadores cuánticos de hoy.
Spectrum: ¿Son los qubits calientes estructuralmente iguales a los qubits de espín de silicio normales?
Clarke: Dentro de los qubits de espín de silicio, hay varios tipos de materiales diferentes, algunos son lo que yo llamaría qubits de tipo MOS de silicio, muy similares a los materiales de los transistores actuales. En otros qubits de espín de silicio hay silicio enterrado bajo una capa de germanio de silicio. Lo llamaremos dispositivo de canal enterrado. Cada uno tiene sus ventajas y sus retos.
Hemos trabajado mucho con la TU Delft en un determinado tipo de sistema de materiales, que es un poco diferente de lo que la mayoría de la comunidad está estudiando operar el sistema a una temperatura ligeramente superior.
Me encantó el trabajo de supremacía cuántica. Realmente lo hice. Es bueno para nuestra comunidad. Pero es un problema artificioso, en un sistema de fuerza bruta, en el que el cableado es un desastre (o al menos complejo).
Lo que estamos intentando hacer con los qubits calientes y con el chip de Horse Ridge es ponernos en un camino de escalado que nos lleve a un ordenador cuántico útil que cambie tu vida o la mía. Lo llamaremos practicidad cuántica.
Volver al principio
Espectro: ¿En qué cree que va a trabajar más intensamente a continuación?
Clarke: En otras palabras, «¿Qué mantiene a Jim despierto por la noche?»
Hay algunas cosas. La primera es el tiempo de información. En la mayor parte de la comunidad, usamos estos refrigeradores de dilución. Y la forma estándar es: Fabricas un chip; lo pones en un refrigerador de dilución; se enfría en el transcurso de varios días; experimentas con él en el transcurso de varias semanas; luego lo calientas de nuevo y pones otro chip.
Comparar eso con lo que hacemos para los transistores: Cogemos una oblea de 300 milímetros, la ponemos en una estación de sondeo y, al cabo de 2 horas, tenemos miles y miles de puntos de datos en toda la oblea que nos dicen algo sobre nuestro rendimiento, nuestra uniformidad y nuestro desempeño.
Eso no existe realmente en la computación cuántica. Así que nos preguntamos: «¿Hay alguna manera -a temperaturas ligeramente más altas- de combinar una estación de sondeo con un refrigerador de dilución?». Durante los dos últimos años, Intel ha estado trabajando con dos empresas de Finlandia para desarrollar lo que llamamos el crioprobador. Y esto acaba de entrar en funcionamiento. Hemos estado haciendo un trabajo impresionante de instalación de este enorme equipo en ausencia total de ingenieros de campo de Finlandia debido al Coronavirus.
Lo que hará esto es acelerar nuestro tiempo de información por un factor de hasta 10.000. Así que en lugar de pegar con alambre una sola muestra, ponerla en la nevera, tomar una semana para estudiarla, o incluso unos pocos días para estudiarla, vamos a ser capaces de poner una oblea de 300 milímetros en esta unidad y en el transcurso de un paso nocturno y escanear. Así que vamos a obtener un tremendo aumento en el rendimiento. Yo diría que una mejora de 100 X. Mis ingenieros dirían que 10.000. Lo dejaré como un desafío para que me impresionen más allá del 100.
Aquí está la otra cosa que me mantiene despierto por la noche. Antes de comenzar el programa de computación cuántica de Intel, estuve a cargo de la investigación de interconexión en el Grupo de Investigación de Componentes de Intel. (Esto es el cableado de los chips.) Así que me preocupa un poco menos el cableado que entra y sale de la nevera que el cableado del chip.
Pondré un ejemplo: Un chip de servidor de Intel tiene probablemente más de 10 mil millones de transistores en un solo chip. Sin embargo, el número de cables que salen de ese chip es de un par de miles. Un chip de computación cuántica tiene más cables que salen del chip que qubits. Este fue el caso del trabajo de Google del año pasado. Este fue ciertamente el caso del chip Tangle Lake que Intel fabricó en 2018, y es el caso de nuestros chips de qubits de espín que hacemos ahora.
Así que tenemos que encontrar una manera de hacer las interconexiones más elegantes. No podemos tener más cables saliendo del chip que dispositivos en el chip. Es ineficaz.
Esto es algo que la comunidad informática convencional descubrió a finales de los años 60 con la Regla de Rent . El año pasado publicamos un artículo con la Universidad Técnica de Delft sobre el equivalente cuántico de la Regla de Rent. Y habla, entre otras cosas, del chip de control de Horse Ridge, de los qubits calientes y de la multiplexación.
Tenemos que encontrar la manera de multiplexar a bajas temperaturas. Y eso será difícil. No puedes tener un ordenador cuántico de un millón de qubits con 2 millones de cables coaxiales saliendo de la parte superior de la nevera.
Spectrum: ¿No tiene Horse Ridge multiplexación?
Clarke: Tiene multiplexación. La segunda generación tendrá un poco más. El factor de forma de los cables es mucho más pequeño, porque podemos ponerlo más cerca del chip.
Así que si se combina todo lo que he hablado. Si te doy un paquete que tiene un chip de control clásico -llámalo una versión futura de Horse Ridge- colocado justo al lado y en el mismo paquete que un chip cuántico, ambos funcionando a una temperatura similar y haciendo uso de cables de interconexión muy pequeños y de multiplexación, esa sería la visión.
Spectrum: ¿Qué va a requerir eso?
Clarke: Va a requerir algunas cosas. Va a requerir mejoras en la temperatura de funcionamiento del chip de control. Probablemente se necesiten algunas implementaciones novedosas del empaquetado para que no haya mucha interferencia térmica entre los dos chips. Probablemente va a requerir una capacidad de refrigeración aún mayor del refrigerador de dilución. Y probablemente requerirá alguna topología de qubits que facilite la multiplexación.
Spectrum: Dados los importantes retos técnicos de los que ha hablado aquí, ¿hasta qué punto es optimista sobre el futuro de la computación cuántica?
Clarke: En Intel, siempre hemos mantenido que estamos en una fase temprana de la carrera cuántica. Todos los cambios importantes en la industria de los semiconductores se han producido en la escala de tiempo de una década y no creo que la cuántica sea diferente. Aunque es importante no subestimar los desafíos técnicos, la promesa y el potencial son reales. Me entusiasma ver y participar en el significativo progreso que estamos haciendo, no sólo dentro de Intel, sino en toda la industria. Un cambio informático de esta magnitud requerirá que los líderes tecnológicos, las comunidades de investigación científica, el mundo académico y los responsables políticos se unan para impulsar los avances en este campo, y ya se está llevando a cabo un enorme trabajo en este frente en todo el ecosistema cuántico.
Volver al principio