Dyrektor ds. sprzętu kwantowego, Jim Clarke wyjaśnia ścieżkę firmy w kierunku „praktyczności kwantowej”
Jim Clarke: Dla nas to proste…. Krzemowe qubity spinowe wyglądają dokładnie jak tranzystor…. Mamy już infrastrukturę z punktu widzenia narzędzi i produkcji. Wiemy, jak zrobić te tranzystory. Więc jeśli można wziąć technologię taką jak obliczenia kwantowe i przypisać ją do tak wszechobecnej technologii, wtedy perspektywa rozwoju komputera kwantowego jest o wiele jaśniejsza.
Przyznaję, że obecnie krzemowe qubity spinowe nie są najbardziej zaawansowaną technologią obliczeń kwantowych. W ciągu ostatniego roku nastąpił znaczny postęp w dziedzinie qubitów nadprzewodnikowych i pułapek jonowych.
Jest jednak jeszcze kilka innych rzeczy: Krzemowy qubit spinowy ma rozmiar tranzystora, czyli jest mniej więcej 1 milion razy mniejszy niż qubit nadprzewodnikowy. Jeśli więc weźmiesz stosunkowo duży układ nadprzewodnikowy i zapytasz „jak osiągnąć użyteczną liczbę qubitów, powiedzmy 1000 lub milion qubitów?”, nagle zaczynasz mieć do czynienia ze współczynnikiem kształtu, który jest… zastraszający.
Obecnie produkujemy układy serwerowe z miliardami i miliardami tranzystorów. Więc jeśli nasz qubit spinowy ma rozmiar tranzystora, z punktu widzenia współczynnika kształtu i energii, spodziewalibyśmy się, że będzie skalował się znacznie lepiej.
Spectrum: Czym są krzemowe qubity spinowe i czym się różnią od konkurencyjnych technologii, takich jak qubity nadprzewodnikowe i systemy pułapki jonowej?
Clarke: W pułapce jonowej w zasadzie używasz lasera do manipulowania jonem metalu poprzez jego stany wzbudzone, gdzie gęstość populacji dwóch stanów wzbudzonych reprezentuje zero i jedynkę qubitu. W obwodzie nadprzewodnikowym tworzysz elektryczną wersję nieliniowego obwodu oscylatora LC (cewka-kondensator) i używasz dwóch najniższych poziomów energetycznych obwodu oscylatora jako zera i jedynki qubitu. Używasz impulsu mikrofalowego do manipulacji pomiędzy stanem zero i jeden.
Robimy coś podobnego z qubitem spinowym, ale jest to trochę inne. Włączasz tranzystor i masz przepływ elektronów z jednej strony na drugą. W krzemowym qubicie spinowym, zasadniczo uwięziłeś pojedynczy elektron w tranzystorze, a następnie umieściłeś całość w polu magnetycznym. To powoduje, że elektron może się obracać w górę lub w dół. Zasadniczo używamy jego stanu spinowego jako zera i jedynki qubitu.
To byłby indywidualny qubit. Następnie, przy bardzo dobrej kontroli, możemy umieścić dwa oddzielone elektrony w bliskim sąsiedztwie i kontrolować ilość interakcji między nimi. I to służy jako nasza interakcja dwóch qubitów.
Więc w zasadzie bierzemy tranzystor, działający na poziomie pojedynczego elektronu, umieszczamy go w bardzo bliskim sąsiedztwie tego, co równałoby się innemu tranzystorowi, a następnie kontrolujemy elektrony.
Spektrum: Czy bliskość pomiędzy sąsiednimi qubitami ogranicza to, jak system może się skalować?
Clarke: Zamierzam odpowiedzieć na to pytanie na dwa sposoby. Po pierwsze, odległość interakcji pomiędzy dwoma elektronami w celu zapewnienia bramki dwukubitowej nie wymaga zbyt wiele od naszego procesu. W Intelu każdego dnia produkujemy mniejsze urządzenia. Istnieją inne problemy, ale to nie jest jeden z nich.
Typowo, te qubity działają na zasadzie interakcji najbliższy-najbliższy sąsiad. Możesz więc mieć dwuwymiarową siatkę qubitów i zasadniczo będziesz miał interakcje tylko pomiędzy jednym z najbliższych sąsiadów. A potem można by budować . Ten qubit będzie oddziaływał ze swoimi najbliższymi sąsiadami i tak dalej. I tak po stworzeniu splątanego systemu, w ten sposób otrzymalibyśmy w pełni splątaną siatkę 2D.
Spectrum: Jakie są niektóre z trudnych kwestii związanych z krzemowymi qubitami spinowymi?
Clarke: Podkreślając wyzwania związane z tą technologią, nie mówię, że jest ona trudniejsza od innych technologii. Podkreślam to, ponieważ z pewnością niektóre rzeczy, które czytałem w literaturze sugerowałyby, że qubity są proste do wyprodukowania lub skalowania. Niezależnie od technologii qubitów, wszystkie one są trudne.
W przypadku qubitu spinowego bierzemy tranzystor, przez który normalnie przepływa prąd elektronów, i obsługujemy go na poziomie pojedynczego elektronu. Jest to odpowiednik posiadania pojedynczego elektronu, umieszczonego w morzu kilkuset tysięcy atomów krzemu i wciąż będącego w stanie manipulować, czy jest to spin up czy spin down.
Więc zasadniczo mamy małą ilość krzemu, nazwiemy to kanałem naszego tranzystora, i kontrolujemy pojedynczy elektron w tym kawałku krzemu. Wyzwanie polega na tym, że krzem, nawet pojedynczy kryształ, może nie być tak czysty, jak tego potrzebujemy. Niektóre z defektów – mogą to być dodatkowe wiązania, defekty ładunku, dyslokacje w krzemie – mogą mieć wpływ na pojedynczy elektron, który badamy. Jest to naprawdę problem materiałowy, który próbujemy rozwiązać.
Powrót na górę
Spektrum: Krótko, co to jest czas koherencji i jakie jest jego znaczenie dla informatyki?
Clarke: Czas koherencji to okno, podczas którego informacja jest utrzymywana w qubicie. Tak więc, w przypadku krzemowego qubitu spinowego, jest to czas, po jakim elektron straci orientację i losowo zakoduje stan spinu. Jest to okno operacyjne dla qubitu.
Wszystkie typy qubitów mają czasy koherencji. Niektóre z nich są lepsze od innych. Czasy koherencji dla qubitów spinowych, w zależności od rodzaju pomiaru czasu koherencji, mogą być rzędu milisekund, co jest dość przekonywujące w porównaniu z innymi technologiami.
To, co musi się wydarzyć, to opracowanie techniki korekcji błędów. To skomplikowany sposób na powiedzenie, że połączymy razem kilka prawdziwych qubitów i sprawimy, że będą one funkcjonować jako jeden bardzo dobry logiczny qubit.
Spectrum: Jak blisko jest tego rodzaju korekcja błędów?
Clarke: To był jeden z czterech elementów, które naprawdę muszą się wydarzyć, abyśmy mogli zrealizować komputer kwantowy, o którym pisałem wcześniej. Pierwszym z nich jest potrzeba lepszych qubitów. Po drugie potrzebujemy lepszych połączeń. Po trzecie, potrzebujemy lepszej kontroli. A po czwarte potrzebujemy korekcji błędów. Wciąż potrzebujemy ulepszeń w pierwszych trzech obszarach, zanim naprawdę będziemy w stanie uzyskać w pełni skalowalny sposób korekcję błędów.
Zobaczysz grupy, które zaczną robić małe kawałki korekcji błędów na zaledwie kilku qubitach. Ale potrzebujemy lepszych qubitów i bardziej efektywnego sposobu ich łączenia i kontrolowania, zanim naprawdę zobaczymy w pełni odporne na błędy obliczenia kwantowe.
Back to top
Spectrum: Jednym z ulepszeń qubitów w ostatnim czasie było opracowanie „gorących” qubitów krzemowych. Czy może Pan wyjaśnić ich znaczenie?
Clarke: Część z nich jest związana z kontrolą.
Teraz masz chip na dnie lodówki z rozcieńczalnikiem, a następnie, dla każdego qubitu, masz kilka przewodów, które idą stamtąd aż na zewnątrz lodówki. I nie są to małe druciki; to kable koncentryczne. A więc z perspektywy kształtu i mocy – każdy z tych przewodów rozprasza moc – naprawdę masz problem ze skalowaniem.
Jedną z rzeczy, które robi Intel, jest to, że opracowujemy chipy kontrolne. Mamy układ sterujący o nazwie Horse Ridge, który jest konwencjonalnym układem CMOS, który możemy umieścić w lodówce w bezpośrednim sąsiedztwie naszego układu qubit. Obecnie ten układ kontrolny znajduje się w temperaturze 4 kelwinów, a nasz układ qubitowy w temperaturze 10 milikelwinów i nadal musimy mieć przewody pomiędzy tymi dwoma stopniami w lodówce.
Wyobraźmy sobie teraz, że możemy obsługiwać nasz qubit nieco cieplej. Mówiąc nieco cieplejszy, mam na myśli może 1 kelwin. Nagle zdolność chłodzenia naszej lodówki staje się znacznie większa. Wydajność chłodzenia naszej lodówki przy 10 milikelwinach wynosi mniej więcej jeden miliwat. To nie jest duża moc. Przy 1 kelwinie jest to prawdopodobnie kilka watów. Jeśli więc możemy pracować w wyższych temperaturach, możemy umieścić elektronikę sterującą w bardzo bliskim sąsiedztwie naszego układu qubitów.
Dzięki gorącym qubitom możemy zintegrować naszą kontrolę z qubitami i rozwiązać niektóre problemy z okablowaniem, które widzimy w dzisiejszych wczesnych komputerach kwantowych.
Spectrum: Czy gorące qubity są strukturalnie takie same jak zwykłe krzemowe qubity spinowe?
Clarke: W obrębie krzemowych qubitów spinowych istnieje kilka różnych typów materiałów, niektóre z nich to coś, co nazwałbym krzemowymi qubitami typu MOS – bardzo podobne do dzisiejszych materiałów stosowanych w tranzystorach. W innych krzemowych qubitach spinowych mamy krzem zakopany pod warstwą germanu krzemowego. Nazywamy to urządzeniem z zakopanym kanałem. Każde z nich ma swoje zalety i wyzwania.
Wykonaliśmy wiele prac z TU Delft, pracując nad pewnym typem systemu materiałowego, który jest nieco inny niż większość w społeczności bada działanie systemu w nieco wyższej temperaturze.
Uwielbiałem pracę nad supremacją kwantową. Naprawdę tak było. To jest dobre dla naszej społeczności. Ale to wymyślony problem, na systemie brute force, gdzie okablowanie jest w rozsypce (lub przynajmniej skomplikowane).
To, co próbujemy zrobić z gorącymi qubitami i chipem Horse Ridge, to wprowadzić nas na ścieżkę skalowania, która doprowadzi nas do użytecznego komputera kwantowego, który zmieni twoje lub moje życie. Nazwiemy to kwantową praktycznością.
Powrót na górę
Spectrum: Jak sądzisz, nad czym będziesz pracował w następnej kolejności najbardziej intensywnie?
Clarke: Innymi słowy, „Co nie daje Jimowi spać w nocy?”
Jest kilka rzeczy. Pierwszą z nich jest czas oczekiwania na informację. W większości społeczności używamy tych lodówek rozcieńczających. Standardowy sposób to: Wytwarzasz chip; umieszczasz go w lodówce rozcieńczającej; schładza się on w ciągu kilku dni; eksperymentujesz z nim w ciągu kilku tygodni; następnie rozgrzewasz go z powrotem i umieszczasz w nim kolejny chip.
Porównaj to z tym, co robimy w przypadku tranzystorów: Bierzemy 300-milimetrowy wafel, kładziemy go na stacji pomiarowej i po 2 godzinach mamy tysiące punktów danych na waflu, które mówią nam coś o naszej wydajności, jednorodności i wydajności.
Tego tak naprawdę nie ma w obliczeniach kwantowych. Zapytaliśmy więc: „Czy istnieje sposób – w nieco wyższych temperaturach – na połączenie stacji sond z chłodziarką rozcieńczającą?”. W ciągu ostatnich dwóch lat Intel współpracował z dwiema firmami w Finlandii nad stworzeniem czegoś, co nazywamy krioproberą. I to właśnie teraz wchodzi do sieci. Wykonaliśmy imponującą pracę, instalując ten ogromny sprzęt pod całkowitą nieobecność inżynierów terenowych z Finlandii z powodu koronawirusa.
To, co to da, to przyspieszenie naszego czasu do uzyskania informacji o współczynnik do 10 000. Zamiast sklejać drutem pojedynczą próbkę, wkładać ją do lodówki, badać ją przez tydzień lub nawet kilka dni, będziemy mogli włożyć 300-milimetrowy wafel do tego urządzenia i w ciągu jednego wieczoru wykonać krok i skan. Uzyskamy więc ogromny wzrost wydajności. Powiedziałbym, że będzie to 100-krotna poprawa. Moi inżynierowie powiedzieliby 10,000. Pozostawię to jako wyzwanie dla nich, aby zaimponowali mi ponad 100.
Oto inna rzecz, która nie daje mi spać w nocy. Przed rozpoczęciem programu obliczeń kwantowych Intela byłem odpowiedzialny za badania nad połączeniami w grupie badawczej ds. komponentów Intela. (To jest okablowanie na chipach.) Więc jestem trochę mniej zainteresowany okablowaniem do i z lodówki niż okablowaniem na chipie.
Podam przykład: Serwerowy układ scalony Intela ma prawdopodobnie około 10 miliardów tranzystorów na pojedynczym układzie. Jednak liczba przewodów wychodzących z tego układu wynosi kilka tysięcy. Chip do obliczeń kwantowych ma więcej przewodów wychodzących z chipa niż jest qubitów. Tak z pewnością było w przypadku pracy Google w zeszłym roku. Było to z pewnością w przypadku chipu Tangle Lake, który Intel wyprodukował w 2018 roku, i jest to przypadek z naszymi spinowymi chipami qubitowymi, które robimy teraz.
Musimy więc znaleźć sposób, aby interkonekty były bardziej eleganckie. Nie możemy mieć więcej przewodów wychodzących z chipa niż mamy urządzeń na chipie. To jest nieefektywne.
To jest coś, co konwencjonalna społeczność obliczeniowa odkryła w późnych latach 60-tych z Rent’s Rule . W zeszłym roku opublikowaliśmy wspólnie z Uniwersytetem Technicznym w Delft pracę na temat kwantowego odpowiednika Reguły Renta. I mówi ona, między innymi, o chipie kontrolnym Horse Ridge, gorących qubitach i multipleksowaniu.
Musimy znaleźć sposób na multipleksowanie w niskich temperaturach. A to będzie trudne. Nie możesz mieć miliona qubitów w komputerze kwantowym z 2 milionami kabli koncentrycznych wychodzących z górnej części lodówki.
Spectrum: Czy Horse Ridge nie robi multipleksowania?
Clarke: Ma multipleksowanie. Druga generacja będzie miała go trochę więcej. Współczynnik kształtu przewodów jest znacznie mniejszy, ponieważ możemy umieścić je bliżej chipu.
Jeśli więc połączyć wszystko, o czym mówiłem. Gdybym dał ci pakiet, w którym klasyczny chip kontrolny – nazwijmy go przyszłą wersją Horse Ridge – siedziałby tuż obok i w tym samym pakiecie co chip kwantowy, oba działające w podobnej temperaturze i wykorzystujące bardzo małe przewody interkonektowe i multipleksowanie, to byłaby to wizja.
Spectrum: Czego to będzie wymagać?
Clarke: To będzie wymagało kilku rzeczy. Będzie wymagało poprawy temperatury pracy chipu sterującego. Prawdopodobnie będzie to wymagało nowatorskich rozwiązań w zakresie pakowania, aby nie dochodziło do wzajemnego oddziaływania termicznego pomiędzy dwoma układami. Prawdopodobnie będzie to wymagało jeszcze większej wydajności chłodzenia chłodziarki rozcieńczającej. I prawdopodobnie będzie wymagać topologii qubitów, która ułatwi multipleksowanie.
Spectrum: Biorąc pod uwagę znaczące wyzwania techniczne, o których tu mówiłeś, jak optymistycznie patrzysz na przyszłość obliczeń kwantowych?
Clarke: W firmie Intel konsekwentnie utrzymywaliśmy, że jesteśmy na wczesnym etapie wyścigu kwantowego. Każda większa zmiana w branży półprzewodników dokonała się w ciągu dekady i nie wierzę, że w przypadku kwantów będzie inaczej. Ważne jest, aby nie lekceważyć wyzwań technicznych z tym związanych, ale obietnica i potencjał są realne. Cieszę się, że mogę obserwować i uczestniczyć w znaczących postępach, jakie czynimy, nie tylko w firmie Intel, ale w całej branży. Zmiana obliczeń na taką skalę będzie wymagała współpracy liderów technologicznych, środowisk badawczych, akademickich i decydentów w celu osiągnięcia postępu w tej dziedzinie, a już dziś w całym ekosystemie kwantowym ma miejsce ogromna praca w tym kierunku.
Powrót na górę
.