Diretor de hardware quântico, Jim Clarke explica o caminho da empresa em direção à “praticidade quântica”
Jim Clarke: É simples para nós…. Os spin qubits de silício parecem-se exactamente com um transistor…. A infra-estrutura está lá do ponto de vista da fabricação de ferramentas. Nós sabemos como fazer estes transístores. Portanto, se você pode pegar uma tecnologia como a computação quântica e mapeá-la para uma tecnologia tão onipresente, então a perspectiva de desenvolver um computador quântico é muito mais clara.
Eu admitiria que hoje em dia as qubits de spin de silício não são a tecnologia mais avançada de computação quântica por aí. Tem havido muito progresso no último ano com qubits supercondutores e armadilhas de íons.
Mas há mais algumas coisas: Um silicon spin qubit é do tamanho de um transistor – o que quer dizer que é cerca de 1 milhão de vezes menor que um qubit supercondutor. Então se você pegar um chip supercondutor relativamente grande, e você diz “como eu chego a um número útil de qubits, digamos 1.000 ou um milhão de qubits?” de repente você está lidando com um fator de forma que é…intimidante.
Estamos atualmente fazendo chips de servidor com bilhões e bilhões de transistores neles. Então, se nosso qubit de spin é do tamanho de um transistor, de uma perspectiva de fator de forma e energia, esperaríamos que ele escalasse muito melhor.
Spectrum: O que são qubits de spin de silício e como diferem da tecnologia concorrente, tais como qubits supercondutores e sistemas de armadilhas de iões?
Clarke: Em uma armadilha de íons você está basicamente usando um laser para manipular um íon metálico através de seus estados excitados onde a densidade populacional de dois estados excitados representa o zero e um dos qubits. Em um circuito supercondutor, você está criando a versão elétrica de um circuito oscilador LC (indutor-capacitor) não linear, e você está usando os dois níveis mais baixos de energia desse circuito oscilador como o zero e um dos seus qubit. Você usa um pulso de microondas para manipular entre o zero e um estado.
Fazemos algo semelhante com o qubit de spin, mas é um pouco diferente. Você liga um transistor, e você tem um fluxo de elétrons de um lado para o outro. Em um qubit de spin de silício, você essencialmente prende um único elétron no seu transistor, e então você coloca tudo em um campo magnético . Isto orienta o electrão a rodar para cima ou para baixo. Estamos essencialmente a usar o seu estado de spin como o zero e um dos qubit.
Isso seria um qubit individual. Então, com muito bom controle, podemos obter dois elétrons separados em estreita proximidade e controlar a quantidade de interação entre eles. E isso serve como nossa interação de dois débitos.
Então estamos basicamente pegando um transistor, operando no nível de um elétron único, ficando muito próximo do que seria um outro transistor, e então estamos controlando os elétrons.
Spectrum: A proximidade entre qubits adjacentes limita como o sistema pode escalar?
Clarke: Vou responder a isso de duas maneiras. Primeiro, a distância de interação entre dois elétrons para fornecer um portão de dois qubits não é pedir muito do nosso processo. Nós fazemos dispositivos menores todos os dias na Intel. Existem outros problemas, mas esse não é um deles.
Tipicamente, esses qubits operam em uma espécie de interação de vizinhança mais próxima. Então você pode ter uma grade bidimensional de qubits, e você essencialmente só teria interações entre um de seus vizinhos mais próximos. E então você construiria . Essa qubit teria então interações com seus vizinhos mais próximos e assim por diante. E então, uma vez que você desenvolva um sistema emaranhados, é assim que você obteria uma grade 2D totalmente emaranhada.
Spectrum: Quais são alguns dos problemas difíceis neste momento com qubits de spin de silício?
Clarke: Ao destacar os desafios desta tecnologia, não estou a dizer que é mais difícil do que outras tecnologias. Prefiro isto, porque certamente algumas das coisas que leio na literatura sugerem que as qubits são simples de fabricar ou de escalar. Independentemente da tecnologia qubit, todas elas são difíceis.
Com um qubit de spin, pegamos um transistor que normalmente tem uma corrente de electrões a passar, e operamo-lo ao nível de um electrão. Isto é o equivalente a ter um único electrão, colocado num mar de várias centenas de milhares de átomos de silício e ainda ser capaz de manipular se é spin para cima ou spin para baixo.
Então temos essencialmente uma pequena quantidade de silício, vamos chamar-lhe o canal do nosso transístor, e estamos a controlar um único electrão dentro desse pedaço de silício. O desafio é que o silício, mesmo um único cristal, pode não ser tão limpo quanto precisamos. Alguns dos defeitos – esses defeitos podem ser ligações extras, podem ser defeitos de carga, podem ser deslocamentos no silício – podem todos ter impacto naquele único elétron que estamos estudando. Este é realmente um problema de materiais que estamos tentando resolver.
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Spectrum: Apenas brevemente, o que é o tempo de coerência e qual é a sua importância para a computação?
Clarke: O tempo de coerência é a janela durante a qual a informação é mantida no qubit. Então, no caso de um qubit de spin de silício, é quanto tempo antes desse elétron perder a sua orientação, e embaralhar aleatoriamente o estado de spin. É a janela de operação de um qubit.
Agora, todos os tipos de qubit têm o que equivale a tempos de coerência. Alguns são melhores do que outros. Os tempos de coerência para qubits de spin, dependendo do tipo de medida de tempo de coerência, podem ser da ordem de milissegundos, o que é bastante convincente em comparação com outras tecnologias.
O que precisa acontecer é que precisamos desenvolver uma técnica de correção de erros. Essa é uma forma complexa de dizer que vamos juntar um monte de qubits reais e fazê-los funcionar como um qubit lógico muito bom.
Spectrum: Quão perto está esse tipo de correção de erro?
Clarke: Era um dos quatro itens que realmente precisava acontecer para nós percebermos um computador quântico sobre o qual escrevi antes. O primeiro é que precisamos de melhores qubits. O segundo é que precisamos de interconexões melhores. O terceiro é que precisamos de melhor controle. E o quarto é que precisamos de correcção de erros. Ainda precisamos de melhorias nas três primeiras antes de realmente chegarmos, de uma forma totalmente escalável, à correção de erros.
Você verá grupos começando a fazer pequenas correções de erros em apenas algumas qubits. Mas precisamos de melhores qubits e precisamos de uma forma mais eficiente de ligá-los e controlá-los antes de você realmente ver computação quântica totalmente tolerante a falhas.
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Spectrum: Uma das melhorias para as qubits recentemente foi o desenvolvimento de qubits de silício “quentes”. Você pode explicar seu significado?
Clarke: Parte dela equivale a controlar.
Clarke: Agora tem um chip no fundo de um frigorífico de diluição, e depois, por cada qubit, tem vários fios que vão de lá até fora do frigorífico. E estes não são fios pequenos; são cabos coaxiais. E assim, da perspectiva do fator forma e da potência – cada um desses fios dissipa a potência – você realmente tem um problema de escala.
Uma das coisas que a Intel está fazendo é que estamos desenvolvendo chips de controle. Nós temos um chip de controle chamado Horse Ridge que é um chip CMOS convencional que podemos colocar na geladeira bem próximo ao nosso chip qubit. Hoje esse chip de controle fica a 4 kelvins e nosso chip qubit está a 10 millikelvins e ainda temos que ter fios entre esses dois estágios na geladeira.
Agora, imagine se pudéssemos operar nosso qubit ligeiramente mais quente. E por ligeiramente mais quente, quero dizer talvez 1 kelvin. De repente, a capacidade de refrigeração do nosso frigorífico torna-se muito maior. A capacidade de arrefecimento do nosso frigorífico a 10 millikelvin é de aproximadamente um milliwatt. Isso não é muita energia. A 1 kelvin, é provavelmente um par de watts. Então, se pudermos operar a temperaturas mais altas, podemos então colocar a eletrônica de controle muito próxima ao nosso chip qubit.
Por ter qubits quentes podemos co-integrar nosso controle com nossos qubits, e começamos a resolver alguns dos problemas de cabeamento que estamos vendo nos primeiros computadores quânticos de hoje.
Spectrum: As qubits são estruturalmente as mesmas que as qubits de spin de silício normais?
Clarke: Dentro do silicon spin qubits, existem vários tipos diferentes de materiais, alguns são o que eu chamaria de silicon qubit do tipo MOS – muito parecidos com os materiais transistor de hoje. Em outros qubits de silício spin você tem silício que está enterrado abaixo de uma camada de silício germânio. Vamos chamar a isso um dispositivo de canal enterrado. Cada um tem os seus benefícios e desafios.
Tivemos muito trabalho com TU Delft trabalhando em um certo tipo de sistema de material, que é um pouco diferente do que a maioria da comunidade está estudando operar o sistema a uma temperatura ligeiramente mais alta.
Eu adorei o trabalho de supremacia quântica. Eu realmente adorei. É bom para a nossa comunidade. Mas é um problema inventado, em um sistema de força bruta, onde a fiação é uma confusão (ou pelo menos complexa).
O que estamos tentando fazer com as qubits quentes e com o chip Horse Ridge é nos colocar em um caminho de escalada que nos levará a um computador quântico útil que vai mudar a sua vida ou a minha. Vamos chamar isso de praticidade quântica.
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Spectrum: Em que pensa que vai trabalhar mais intensamente?
Clarke: Por outras palavras, “O que mantém o Jim acordado à noite?”
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Há algumas coisas. A primeira é o tempo para a informação. Em toda a comunidade, usamos estes frigoríficos de diluição. E a maneira padrão é: Você fabrica um chip, coloca-o num frigorífico de diluição, arrefece ao longo de vários dias, experimenta com ele ao longo de várias semanas, depois volta a aquecê-lo e coloca outro chip.
Compare isso com o que fazemos para os transístores: Pegamos numa bolacha de 300 milímetros, colocamo-la numa estação de sonda, e após 2 horas temos milhares e milhares de pontos de dados através da bolacha que nos dizem algo sobre o nosso rendimento, a nossa uniformidade e o nosso desempenho.
Isso não existe realmente na computação quântica. Então perguntamos: “Existe uma maneira – a temperaturas ligeiramente mais altas – de combinar uma estação de sonda com um refrigerador de diluição?” Nos últimos dois anos, a Intel tem trabalhado com duas empresas na Finlândia para desenvolver o que chamamos de crioprober. E isto está a ficar online agora. Temos feito um trabalho impressionante de instalação deste enorme equipamento na completa ausência de engenheiros de campo da Finlândia devido ao Coronavirus.
O que isto fará é acelerar o nosso tempo de informação por um factor de até 10.000. Assim, em vez de colar uma única amostra, colocá-la na geladeira, levar uma semana para estudá-la, ou mesmo alguns dias para estudá-la, vamos ser capazes de colocar uma bolacha de 300 milímetros nesta unidade e ao longo de um passo noturno e escanear. Portanto, vamos ter um tremendo aumento na produção. Eu diria uma melhoria de 100 X. Os meus engenheiros diriam 10.000. Vou deixar isso como um desafio para eles me impressionarem além dos 100.
Aqui está a outra coisa que me mantém acordado durante a noite. Antes de iniciar o programa de computação quântica da Intel, eu estava encarregado da pesquisa de interconexão no Grupo de Pesquisa de Componentes da Intel. (Esta é a fiação nos chips.) Portanto, estou um pouco menos preocupado com a fiação de entrada e saída da geladeira do que com a fiação no chip.
Darei um exemplo: Um chip de servidor Intel tem provavelmente a norte de 10 bilhões de transistores em um único chip. No entanto, o número de fios que saem desse chip é de alguns milhares. Um chip de computação quântica tem mais fios saindo do chip do que há qubits. Este foi certamente o caso para o trabalho do Google no ano passado. Este foi certamente o caso do chip Tangle Lake que a Intel fabricou em 2018, e é o caso dos nossos chips de spin qubit que fazemos agora.
Então temos de encontrar uma maneira de tornar as interconexões mais elegantes. Não podemos ter mais fios a sair do chip do que temos dispositivos no chip. É ineficaz.
É algo que a comunidade de computação convencional descobriu no final dos anos 60 com a Rent’s Rule . No ano passado publicamos um artigo com a Universidade Técnica Delft sobre o equivalente quântico da Regra do Aluguel. E ele fala, entre outras coisas sobre o chip de controle Horse Ridge, as hot qubits, e multiplexing.
Temos de encontrar uma maneira de multiplexar a baixas temperaturas. E isso vai ser difícil. Você não pode ter um computador quântico de um milhão de quatros com 2 milhões de cabos coaxiais saindo do topo da geladeira.
Spectrum: O Horse Ridge não faz multiplexação?
Clarke: Tem multiplexação. A segunda geração vai ter um pouco mais. O fator forma dos fios é muito menor, porque podemos colocá-lo mais próximo do chip.
Então se você meio que combinar tudo o que eu falei. Se eu lhe der um pacote que tenha um chip de controle clássico, chame-o de uma futura versão de Horse Ridge-sitting bem ao lado e no mesmo pacote de um chip quântico, ambos operando a uma temperatura similar e fazendo uso de fios de interconexão muito pequenos e multiplexação, isso seria a visão.
Spectrum: O que é que isso vai requerer?
Clarke: Vai requerer algumas coisas. Vai requerer melhorias na temperatura de funcionamento do chip de controlo. Provavelmente vai requerer algumas implementações inovadoras da embalagem, por isso não há muita conversa cruzada térmica entre os dois chips. Provavelmente vai requerer uma capacidade de refrigeração ainda maior a partir do refrigerador de diluição. E provavelmente vai requerer alguma topologia qubit que facilite a multiplexação.
Spectrum: Dados os significativos desafios técnicos de que falou aqui, quão optimista está sobre o futuro da computação quântica?
Clarke: Na Intel, temos mantido consistentemente que estamos no início da corrida quântica. Todas as grandes mudanças na indústria de semicondutores aconteceram no tempo da década e não acredito que a quântica seja diferente. Embora seja importante não subestimar os desafios técnicos envolvidos, a promessa e o potencial são reais. Estou animado em ver e participar do progresso significativo que estamos fazendo, não apenas dentro da Intel, mas da indústria como um todo. Uma mudança informática desta magnitude levará líderes tecnológicos, comunidades de pesquisa científica, academia e formuladores de políticas a se unirem para impulsionar avanços no campo, e já há um tremendo trabalho acontecendo nessa frente através do ecossistema quântico hoje.
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