Directeur kwantumhardware, Jim Clarke legt uit welke weg het bedrijf aflegt naar “kwantumpraktijken”
Jim Clarke: Het is simpel voor ons…. Silicium spin-qubits lijken precies op een transistor…. De infrastructuur is er vanuit het oogpunt van gereedschap-fabricage. We weten hoe we deze transistors moeten maken. Dus als je een technologie als quantumcomputing kunt gebruiken en die kunt koppelen aan zo’n alomtegenwoordige technologie, dan is het vooruitzicht op de ontwikkeling van een quantumcomputer veel duidelijker.
Ik wil toegeven dat siliciumspin-qubits op dit moment niet de meest geavanceerde quantumcomputertechnologie zijn die er is. Er is het laatste jaar veel vooruitgang geboekt met supergeleidende en ionenval-qubits.
Maar er zijn nog een paar dingen: Een silicium spin-qubit is net zo groot als een transistor – dat wil zeggen dat hij ruwweg 1 miljoen keer kleiner is dan een supergeleidende qubit. Dus als je een relatief grote supergeleidende chip neemt, en je zegt “hoe kom ik tot een bruikbaar aantal qubits, zeg 1000 of een miljoen qubits?” dan heb je ineens te maken met een vormfactor die…intimiderend is.
We maken op dit moment serverchips met miljarden en miljarden transistors erop. Dus als onze spin-qubit ongeveer net zo groot is als een transistor, dan verwachten we dat hij, vanuit het oogpunt van vormfactor en energie, veel beter schaalbaar is.
Spectrum: Wat zijn silicium spin qubits en hoe verschillen ze van concurrerende technologie, zoals supergeleidende qubits en ion trap systemen?
Clarke: In een ionenval gebruik je in feite een laser om een metaalion door zijn aangeslagen toestanden te manipuleren, waarbij de populatiedichtheid van twee aangeslagen toestanden de nul en de één van de qubit vertegenwoordigt. In een supergeleidende schakeling creëer je de elektrische versie van een niet-lineaire LC (inductor-capacitor) oscillatorschakeling, en je gebruikt de twee laagste energieniveaus van die oscillatorschakeling als de nul en de één van je qubit. Je gebruikt een microgolf puls om te manipuleren tussen de nul en de één toestand.
We doen iets soortgelijks met de spin-qubit, maar het is een beetje anders. Je zet een transistor aan, en je hebt een stroom elektronen van de ene kant naar de andere. In een silicium-spin-qubit sluit je een enkel elektron op in je transistor, en dan zet je het geheel in een magnetisch veld. Dit oriënteert het elektron om omhoog of omlaag te tollen. We gebruiken zijn spintoestand als de nul en één van de qubit. Dat zou een individuele qubit zijn. Met zeer goede controle, kunnen we twee gescheiden elektronen dicht bij elkaar brengen en de hoeveelheid interactie tussen hen controleren. En dat dient als onze twee-qubit interactie. We nemen dus in feite een transistor, werkend op het niveau van een enkel elektron, brengen het in de zeer nabijheid van wat zou neerkomen op een andere transistor, en dan controleren we de elektronen: Beperkt de nabijheid tussen aangrenzende qubits de schaalbaarheid van het systeem?
Clarke: Ik ga dat op twee manieren beantwoorden. Ten eerste, de interactie afstand tussen twee elektronen om een twee-qubit poort te bieden vraagt niet te veel van ons proces. We maken elke dag kleinere apparaten bij Intel. Er zijn andere problemen, maar dat is er niet één van.
Typisch werken deze qubits op een soort van naaste-buur interactie. Dus je zou een tweedimensionaal raster van qubits kunnen hebben, en je zou in wezen alleen interacties hebben tussen een van de dichtstbijzijnde buren. En dan zou je het opbouwen. Die qubit zou dan interacties hebben met zijn naaste buren, enzovoort. En als je dan eenmaal een verstrengeld systeem hebt ontwikkeld, dan zou je zo een volledig verstrengeld 2D raster krijgen.
Spectrum: Wat zijn enkele van de moeilijke problemen op dit moment met silicium spin qubits?
Clarke: Door de uitdagingen van deze technologie te belichten, zeg ik niet dat dit moeilijker is dan andere technologieën. Ik zeg het maar even, want sommige dingen die ik in de literatuur lees, suggereren dat qubits eenvoudig te fabriceren of te schalen zijn. Ongeacht de qubit technologie, ze zijn allemaal moeilijk.
Met een spin-qubit nemen we een transistor waar normaal gesproken een stroom elektronen doorheen gaat, en je bedient hem op het niveau van één elektron. Dit is het equivalent van een enkel elektron, geplaatst in een zee van enkele honderdduizenden siliciumatomen en toch in staat om te manipuleren of het omhoog of omlaag draait.
Dus we hebben in wezen een kleine hoeveelheid silicium, we zullen dit het kanaal van onze transistor noemen, en we controleren een enkel elektron binnen dat stuk silicium. De uitdaging is dat silicium, zelfs een enkel kristal, niet zo zuiver is als we nodig hebben. Sommige van de defecten – dit kunnen extra bindingen zijn, defecten door lading, dislocaties in het silicium – kunnen allemaal invloed hebben op het elektron dat we bestuderen. Dit is echt een materiaalkwestie die we proberen op te lossen.
Terug naar boven
Spectrum: Even kort, wat is de coherentietijd en wat is het belang ervan voor de informatica?
Clarke: De coherentietijd is het venster waarin informatie in de qubit behouden blijft. In het geval van een silicium-spin-qubit is dat hoe lang het duurt voordat het elektron zijn oriëntatie verliest en willekeurig de spintoestand door elkaar gooit. Het is het werkingsvenster voor een qubit.
Nu, alle qubit types hebben wat neerkomt op coherentietijden. Sommige zijn beter dan andere. De coherentietijden voor spin-qubits kunnen, afhankelijk van het type coherentietijdmeting, in de orde van milliseconden liggen, wat behoorlijk overtuigend is vergeleken met andere technologieën.
Wat er moet gebeuren is dat we een foutcorrectietechniek moeten ontwikkelen. Dat is een ingewikkelde manier om te zeggen dat we een stel echte qubits gaan samenvoegen en ze laten functioneren als één heel goede logische qubit.
Spectrum: Hoe dichtbij is dat soort foutcorrectie?
Clarke: Het was een van de vier punten die echt moeten gebeuren voor we een quantumcomputer kunnen realiseren, waar ik eerder over schreef. Het eerste is dat we betere qubits nodig hebben. De tweede is dat we betere interconnecties nodig hebben. De derde is dat we betere controle nodig hebben. En de vierde is dat we foutcorrectie nodig hebben. We moeten nog steeds verbeteringen aanbrengen in de eerste drie voordat we echt, op een volledig schaalbare manier, aan foutcorrectie toekomen.
Je zult zien dat groepen beginnen met het doen van kleine stukjes foutcorrectie op slechts een paar qubits. Maar we hebben betere qubits nodig en we hebben een efficiëntere manier nodig om ze aan te sluiten en te besturen voordat je echt volledig fouttolerante quantumcomputing gaat zien.
Terug naar boven
Spectrum: Een van de verbeteringen aan qubits onlangs was de ontwikkeling van “hete” silicium qubits. Kunt u de betekenis daarvan uitleggen?
Clarke: Een deel ervan is gelijk aan controle.
Op dit moment heb je een chip op de bodem van een verdunningskoelkast, en dan heb je voor elke qubit verschillende draden die van daaruit helemaal naar buiten de koelkast gaan. En dit zijn geen kleine draden; het zijn coaxkabels. En dus vanuit het oogpunt van vormfactor en vermogen – elk van deze draden dissipeert vermogen – heb je echt een schalingsprobleem.
Een van de dingen die Intel doet, is dat we controlechips ontwikkelen. We hebben een controlechip, Horse Ridge genaamd, dat is een conventionele CMOS-chip die we in de koelkast kunnen plaatsen in de nabijheid van onze qubit-chip. Vandaag zit die controlechip op 4 kelvins en onze qubit chip op 10 millikelvins en we moeten nog steeds draden hebben tussen die twee fasen in de koelkast.
Nu, stel je voor dat we onze qubit iets warmer kunnen laten werken. En met iets warmer, bedoel ik misschien 1 kelvin. Plotseling wordt de koelcapaciteit van onze koelkast veel groter. De koelcapaciteit van onze koelkast bij 10 millikelvin is ruwweg een milliwatt. Dat is niet veel vermogen. Bij 1 kelvin, is het waarschijnlijk een paar watt. Dus als we bij hogere temperaturen kunnen werken, kunnen we de besturingselektronica heel dicht bij onze qubit-chip plaatsen.
Door hete qubits te hebben, kunnen we onze besturing co-integreren met onze qubits, en beginnen we een aantal van de bedradingsproblemen op te lossen die we in de vroege kwantumcomputers van vandaag zien.
Spectrum: Zijn hot qubits structureel hetzelfde als gewone silicium spin qubits?
Clarke: Binnen silicium spin qubits zijn er verschillende soorten materialen, sommige zijn wat ik zou noemen silicium MOS-type qubits- zeer vergelijkbaar met de transistor materialen van vandaag. In andere silicium-spin-qubits heb je silicium dat begraven is onder een laag silicium-germanium. We noemen dat een begraven kanaal apparaat. Elk heeft zijn voordelen en uitdagingen.
We hebben veel werk gedaan met de TU Delft werkend aan een bepaald type materiaalsysteem, dat een beetje anders is dan de meeste in de gemeenschap bestuderen het systeem bij een iets hogere temperatuur.
Ik hield van het quantum suprematie werk. Echt waar. Het is goed voor onze gemeenschap. Maar het is een geforceerd probleem, op een brute kracht systeem, waar de bedrading een puinhoop is (of op zijn minst complex).
Wat we proberen te doen met de hete qubits en met de Horse Ridge chip is ons op een pad zetten naar schaalvergroting dat ons naar een bruikbare kwantumcomputer zal brengen die jouw leven of het mijne zal veranderen. We noemen dat kwantum praktische bruikbaarheid.
Terug naar boven
Spectrum: Waar denk je dat je de volgende keer het meest intensief aan gaat werken?
Clarke: Met andere woorden, “Wat houdt Jim ’s nachts wakker?”
Er zijn een paar dingen. Het eerste is de tijd tot informatie. In het grootste deel van de gemeenschap, gebruiken we deze verdunningskoelkasten. En de standaard manier is: Je maakt een chip, je stopt hem in een verdunningskoelkast, hij koelt enkele dagen af, je experimenteert er enkele weken mee, dan warm je hem weer op en stopt er een andere chip in. Vergelijk dat met wat we doen voor transistors: We nemen een wafer van 300 millimeter, leggen die op een sondeerstation, en na twee uur hebben we duizenden en duizenden datapunten over de wafer die ons iets vertellen over onze opbrengst, onze uniformiteit en onze prestaties.
Dat bestaat niet echt bij quantumcomputing. Dus vroegen we: “Is er een manier – bij iets hogere temperaturen – om een sondeerstation te combineren met een verdunningskoelkast?” De afgelopen twee jaar heeft Intel met twee bedrijven in Finland samengewerkt aan de ontwikkeling van wat wij de cryoprober noemen. En deze is nu net online gekomen. We hebben indrukwekkend werk verricht met het installeren van dit enorme stuk apparatuur in de volledige afwezigheid van veldingenieurs uit Finland als gevolg van het Coronavirus.
Wat dit zal doen is het versnellen van onze tijd-tot-informatie met een factor tot 10.000. Dus in plaats van een enkel monster te bedraden, het in de koelkast te leggen, het een week of zelfs een paar dagen te bestuderen, kunnen we een wafer van 300 millimeter in dit apparaat stoppen en in de loop van een avond stappen en scannen. Dus we gaan een enorme toename in doorvoer krijgen. Ik zou zeggen een 100 X verbetering. Mijn ingenieurs zouden zeggen 10.000. Ik laat dat als een uitdaging voor hen om me meer te imponeren dan de 100.
Hier is het andere ding dat me ’s nachts wakker houdt. Voordat ik het Intel quantum-computing programma begon, was ik verantwoordelijk voor interconnect onderzoek in Intel’s Components Research Group. (Dit is de bedrading op chips.) Ik ben dus iets minder bezorgd over de bedrading in en uit de koelkast dan over de bedrading op de chip.
Ik zal een voorbeeld geven: Een Intel-serverchip heeft waarschijnlijk meer dan 10 miljard transistors op een enkele chip. Maar het aantal draden dat van die chip afkomt is een paar duizend. Een quantumcomputerchip heeft meer draden die van de chip afkomen dan er qubits zijn. Dit was zeker het geval bij het werk van Google vorig jaar. Dit was zeker het geval voor de Tangle Lake-chip die Intel in 2018 produceerde, en het is het geval met onze spin-qubitchips die we nu maken.
Dus we moeten een manier vinden om de interconnects eleganter te maken. Er kunnen niet meer draden van de chip afkomen dan er apparaten op de chip zitten. Dat is niet effectief.
Dit is iets wat de conventionele computergemeenschap aan het eind van de jaren zestig ontdekte met de Rent’s Rule . Vorig jaar hebben we samen met de Technische Universiteit Delft een artikel gepubliceerd over het quantum-equivalent van de Regel van Rent. En het gaat onder andere over de Horse Ridge control chip, de hot qubits, en multiplexing.
We moeten een manier vinden om bij lage temperaturen te multiplexen. En dat zal moeilijk worden. Je kunt geen miljoen qubits kwantumcomputer hebben met 2 miljoen coaxkabels uit de koelkast.
Spectrum: Doet Horse Ridge niet aan multiplexing? Het heeft multiplexing. De tweede generatie zal een beetje meer hebben. De vormfactor van de draden is veel kleiner, omdat we het dichter bij de chip kunnen plaatsen.
Dus als je alles waarover ik heb gepraat zo’n beetje combineert. Als ik je een pakket geef waarin een klassieke besturingschip – noem het een toekomstige versie van Horse Ridge – naast en in hetzelfde pakket zit als een kwantumchip, die beide bij een vergelijkbare temperatuur werken en gebruik maken van zeer kleine interconnectiedraden en multiplexing, dan zou dat de visie zijn.
Spectrum: Wat is daar voor nodig?
Clarke: Het gaat een paar dingen vereisen. Het vereist verbeteringen in de bedrijfstemperatuur van de controle chip. Het vereist waarschijnlijk een nieuwe manier van verpakken, zodat er niet veel warmteoverdracht is tussen de twee chips. Het vereist waarschijnlijk een nog grotere koelcapaciteit van de verdunningskoelkast. En het zal waarschijnlijk een qubit topologie vereisen die multiplexing vergemakkelijkt.
Spectrum: Gezien de aanzienlijke technische uitdagingen waarover u hier hebt gesproken, hoe optimistisch bent u over de toekomst van quantumcomputing?
Clarke: Bij Intel hebben we consequent volgehouden dat we vroeg zijn in de kwantumrace. Elke grote verandering in de halfgeleiderindustrie heeft zich in een tijdsbestek van tien jaar voltrokken en ik geloof niet dat het met kwantum anders zal zijn. Hoewel het belangrijk is de technische uitdagingen niet te onderschatten, zijn de belofte en het potentieel reëel. Ik ben enthousiast over de betekenisvolle vooruitgang die we boeken, niet alleen bij Intel maar in de hele sector. Voor een computerverschuiving van deze omvang moeten technologieleiders, wetenschappelijke onderzoeksgemeenschappen, de academische wereld en beleidsmakers de handen ineenslaan om vooruitgang te boeken op dit gebied, en er wordt op dat front in het gehele kwantum-ecosysteem vandaag de dag al enorm veel werk verzet.
Terug naar boven