Directorul de hardware cuantic, Jim Clarke, explică calea companiei către „caracterul practic cuantic”
Jim Clarke: Este simplu pentru noi…. Qubiții de spin din siliciu arată exact ca un tranzistor…. Infrastructura există din punct de vedere al uneltelor-fabricare. Știm cum să facem acești tranzistori. Așadar, dacă puteți lua o tehnologie precum informatica cuantică și o puteți adapta la o tehnologie atât de omniprezentă, atunci perspectiva dezvoltării unui calculator cuantic este mult mai clară.
Am recunoaște că, în prezent, qubiții de spin de siliciu nu sunt cea mai avansată tehnologie de calcul cuantic existentă. S-au înregistrat multe progrese în ultimul an cu qubiți supraconductori și cu capcane de ioni.
Dar mai sunt câteva lucruri: Un qubit de spin de siliciu este de dimensiunea unui tranzistor – ceea ce înseamnă că este de aproximativ 1 milion de ori mai mic decât un qubit supraconductor. Așadar, dacă luați un cip supraconductor relativ mare și spuneți „cum pot ajunge la un număr util de qubiți, să zicem 1.000 sau un milion de qubiți?”, dintr-o dată aveți de-a face cu un factor de formă care este… intimidant.
În prezent facem cipuri de server cu miliarde și miliarde de tranzistori pe ele. Deci, dacă qubitul nostru de spin este de mărimea unui tranzistor, din perspectiva factorului de formă și a energiei, ne-am aștepta ca acesta să se adapteze mult mai bine.
Spectrul: Ce sunt qubiții de spin din siliciu și cum diferă aceștia de tehnologia concurentă, cum ar fi qubiții supraconductori și sistemele de captare a ionilor?
Clarke: Într-o capcană de ioni folosiți practic un laser pentru a manipula un ion metalic prin stările sale excitate, unde densitatea populației a două stări excitate reprezintă zero și unu din qubit. Într-un circuit supraconductor, creați versiunea electrică a unui circuit oscilator LC (inductor-capacitor) neliniar și folosiți cele mai joase două niveluri de energie ale acelui circuit oscilator ca zero și unu al qubitului dumneavoastră. Folosiți un impuls de microunde pentru a manipula între starea zero și unu.
Facem ceva similar cu qubitul de spin, dar este puțin diferit. Porniți un tranzistor și aveți un flux de electroni dintr-o parte în alta. Într-un qubit de spin din siliciu, în esență, prinzi un singur electron în tranzistorul tău și apoi pui totul într-un câmp magnetic . Acest lucru orientează electronul să se rotească fie în sus, fie în jos. În esență, folosim starea sa de spin ca zero și unu al qubitului.
Acesta ar fi un qubit individual. Apoi, cu un control foarte bun, putem obține doi electroni separați în imediata apropiere și putem controla cantitatea de interacțiune dintre ei. Și asta servește drept interacțiunea noastră cu doi qubiți.
Așa că, practic, luăm un tranzistor, care funcționează la nivelul unui singur electron, îl aducem foarte aproape de ceea ce ar însemna un alt tranzistor și apoi controlăm electronii.
Spectrul: Apropierea dintre qubiți adiacenți limitează modul în care sistemul poate fi extins?
Clarke: Am de gând să răspund la această întrebare în două moduri. În primul rând, distanța de interacțiune dintre doi electroni pentru a oferi o poartă cu doi qubiți nu cere prea mult procesului nostru. Facem dispozitive mai mici în fiecare zi la Intel. Există și alte probleme, dar aceasta nu este una dintre ele.
În mod obișnuit, acești qubiți funcționează pe un fel de interacțiune cel mai apropiat de vecin. Așadar, ați putea avea o grilă bidimensională de qubiți și, în esență, ați avea interacțiuni doar între unul dintre cei mai apropiați vecini ai săi. Și apoi s-ar putea construi . Acel qubit ar avea apoi interacțiuni cu cei mai apropiați vecini ai săi și așa mai departe. Și apoi, odată ce dezvolți un sistem încurcat, așa ai obține o rețea 2D complet încurcată.
Spectrul: Care sunt unele dintre problemele dificile în acest moment cu qubiții de spin din siliciu?
Clarke: Prin evidențierea provocărilor acestei tehnologii, nu vreau să spun că este mai dificilă decât alte tehnologii. Precizez acest lucru, pentru că, cu siguranță, unele dintre lucrurile pe care le citesc în literatura de specialitate ar sugera că qubiții sunt ușor de fabricat sau de scalat. Indiferent de tehnologia qubitului, toate sunt dificile.
Cu un qubit de spin, luăm un tranzistor prin care trece în mod normal un curent de electroni și îl operăm la nivelul unui singur electron. Acest lucru este echivalentul de a avea un singur electron, plasat într-o mare de câteva sute de mii de atomi de siliciu și totuși fiind capabil să manipuleze dacă acesta se rotește în sus sau în jos.
Așa că, în esență, avem o cantitate mică de siliciu, pe care o vom numi canalul tranzistorului nostru, și controlăm un singur electron în acea bucată de siliciu. Provocarea este că siliciul, chiar și un singur cristal, poate să nu fie atât de curat pe cât avem nevoie de el. Unele dintre defecte – aceste defecte pot fi legături suplimentare, pot fi defecte de sarcină, pot fi dislocări în siliciu – toate acestea pot avea un impact asupra electronului unic pe care îl studiem. Aceasta este într-adevăr o problemă de materiale pe care încercăm să o rezolvăm.
Înapoi sus
Spectrul: Doar pe scurt, ce este timpul de coerență și care este importanța sa pentru calcul?
Clarke: Timpul de coerență este fereastra în timpul căreia informația este menținută în qubit. Așadar, în cazul unui qubit de spin din siliciu, este cât timp trece până când acel electron își pierde orientarea și amestecă la întâmplare starea de spin. Este fereastra de operare pentru un qubit.
Acum, toate tipurile de qubiți au ceea ce reprezintă timpi de coerență. Unele sunt mai bune decât altele. Timpii de coerență pentru qubiții de spin, în funcție de tipul de măsurare a timpului de coerență, pot fi de ordinul milisecundelor, ceea ce este destul de convingător în comparație cu alte tehnologii.
Ceea ce trebuie să se întâmple este că trebuie să dezvoltăm o tehnică de corecție a erorilor. Acesta este un mod complex de a spune că vom pune împreună o grămadă de qubiți reali și îi vom face să funcționeze ca un qubit logic foarte bun.
Spectrum: Cât de aproape este acest tip de corecție a erorilor?
Clarke: A fost unul dintre cele patru elemente care trebuie să se întâmple cu adevărat pentru ca noi să realizăm un calculator cuantic despre care am scris mai devreme. Primul este că avem nevoie de qubiți mai buni. Al doilea este că avem nevoie de interconexiuni mai bune. Al treilea este că avem nevoie de un control mai bun. Iar al patrulea este că avem nevoie de corectarea erorilor. Mai avem încă nevoie de îmbunătățiri la primele trei înainte de a ajunge cu adevărat, într-o manieră complet scalabilă, la corecția erorilor.
Veți vedea grupuri care încep să facă mici părți de corecție a erorilor pe doar câțiva qubiți. Dar avem nevoie de qubiți mai buni și avem nevoie de un mod mai eficient de a-i cabla și de a-i controla înainte de a vedea cu adevărat calculul cuantic complet tolerant la erori.
Înapoi sus
Spectrul: Una dintre îmbunătățirile aduse recent qubiților a fost dezvoltarea de qubiți de siliciu „fierbinți”. Puteți explica semnificația lor?
Clarke: O parte din ea echivalează cu controlul.
În momentul de față aveți un cip în partea de jos a unui frigider de diluție și apoi, pentru fiecare qubit, aveți mai multe fire care pleacă de acolo până în afara frigiderului. Și acestea nu sunt fire mici; sunt cabluri coaxiale. Și astfel, din punct de vedere al factorului de formă și al energiei – fiecare dintre aceste fire disipează energie – aveți cu adevărat o problemă de scalare.
Unul dintre lucrurile pe care le face Intel este că dezvoltăm cipuri de control. Avem un cip de control numit Horse Ridge, care este un cip CMOS convențional pe care îl putem plasa în frigider în imediata apropiere a cipului nostru qubit. În prezent, acel cip de control se află la 4 kelvins, iar cipul nostru qubit este la 10 milikelvins și tot trebuie să avem cabluri între cele două etaje din frigider.
Imaginați-vă acum dacă am putea să operăm qubitul nostru puțin mai cald. Și prin ușor mai cald, mă refer la poate 1 kelvin. Dintr-o dată, capacitatea de răcire a frigiderului nostru devine mult mai mare. Capacitatea de răcire a frigiderului nostru la 10 milikelvin este de aproximativ un miliwatt. Aceasta nu este o cantitate mare de energie. La 1 kelvin, este probabil de câțiva wați. Așadar, dacă putem funcționa la temperaturi mai ridicate, putem plasa electronica de control foarte aproape de cipul nostru de qubiți.
Având qubiți fierbinți, putem co-integra controlul nostru cu qubiții noștri și începem să rezolvăm unele dintre problemele de cablare pe care le vedem în computerele cuantice timpurii de astăzi.
Spectrum: Sunt qubiții fierbinți, din punct de vedere structural, la fel ca și qubiții de spin obișnuiți din siliciu?
Clarke: În cadrul qubiților de spin de siliciu, există mai multe tipuri diferite de materiale, unele sunt ceea ce aș numi qubiți de tip MOS de siliciu – foarte asemănătoare cu materialele tranzistorilor de astăzi. În alți qubiți de spin din siliciu aveți siliciu care este îngropat sub un strat de siliciu germaniu. Vom numi asta un dispozitiv cu canal îngropat. Fiecare are avantajele și provocările sale.
Am lucrat mult cu TU Delft, lucrând la un anumit tip de sistem de materiale, care este puțin diferit față de ceea ce studiază majoritatea celor din comunitate, care operează sistemul la o temperatură puțin mai ridicată.
Am apreciat munca de supremație cuantică. Chiar mi-a plăcut. Este un lucru bun pentru comunitatea noastră. Dar este o problemă artificială, pe un sistem de forță brută, în care cablarea este un dezastru (sau cel puțin complexă).
Ce încercăm să facem cu qubiții fierbinți și cu cipul Horse Ridge este să ne punem pe o cale de scalare care să ne ducă la un calculator cuantic util care să schimbe viața ta sau a mea. Vom numi asta practicitate cuantică.
Înapoi sus
Spectrul: La ce credeți că veți lucra cel mai intens în continuare?
Clarke: Cu alte cuvinte, „Ce îl ține pe Jim treaz noaptea?”
Există câteva lucruri. Primul este timpul până la informare. În cea mai mare parte a comunității, folosim aceste frigidere de diluție. Și modul standard este: Fabricați un cip; îl puneți într-un frigider de diluție; se răcește în decursul a câteva zile; experimentați cu el în decursul a câteva săptămâni; apoi îl încălziți din nou și puneți un alt cip.
Comparați asta cu ceea ce facem pentru tranzistori: Luăm o plachetă de 300 de milimetri, o punem pe o stație de sondare și, după 2 ore, avem mii și mii de puncte de date pe plachetă care ne spun ceva despre randamentul, uniformitatea și performanța noastră.
Acest lucru nu există cu adevărat în calculul cuantic. Așa că ne-am întrebat: „Există o modalitate – la temperaturi puțin mai ridicate – de a combina o stație de sondare cu un frigider de diluție?”. În ultimii doi ani, Intel a colaborat cu două companii din Finlanda pentru a dezvolta ceea ce noi numim cryoprober. Și acest lucru abia acum intră în funcțiune. Am făcut o treabă impresionantă în ceea ce privește instalarea acestui echipament masiv, în absența completă a inginerilor de teren din Finlanda din cauza Coronavirusului.
Ceea ce va face acest lucru este să ne accelereze timpul până la informație de un factor de până la 10.000 de ori. Astfel, în loc să lipim cu sârmă o singură mostră, să o punem în frigider, să ne ia o săptămână pentru a o studia sau chiar câteva zile pentru a o studia, vom putea să punem o placă de 300 de milimetri în această unitate și în decursul unei seri să trecem și să scanăm. Așadar, vom obține o creștere extraordinară a randamentului. Aș spune o îmbunătățire de 100 de ori mai mare. Inginerii mei ar spune 10.000. Voi lăsa asta ca o provocare pentru ei să mă impresioneze dincolo de 100.
Iată un alt lucru care mă ține treaz noaptea. Înainte de a începe programul de calcul cuantic al Intel, am fost responsabil de cercetarea în domeniul interconectării în cadrul Grupului de cercetare a componentelor Intel. (Acesta este cablajul de pe cipuri.) Așadar, sunt un pic mai puțin preocupat de cablajul de intrare și ieșire din frigider decât sunt doar de cablajul de pe cip.
Voi da un exemplu: Un cip de server Intel are probabil la nord de 10 miliarde de tranzistori pe un singur cip. Cu toate acestea, numărul de fire care ies din acel cip este de câteva mii. Un cip de calcul cuantic are mai multe fire care ies din cip decât există qubiți. Acesta a fost cu siguranță cazul lucrărilor Google de anul trecut. Acesta a fost cu siguranță cazul cipului Tangle Lake pe care Intel l-a fabricat în 2018 și este cazul cipurilor noastre de qubiți de spin pe care le fabricăm acum.
Așa că trebuie să găsim o modalitate de a face interconexiunile mai elegante. Nu putem avea mai multe fire care ies din cip decât avem dispozitive pe cip. Este ineficient.
Acesta este un lucru pe care comunitatea de calculatoare convenționale l-a descoperit la sfârșitul anilor 1960 cu regula lui Rent . Anul trecut am publicat o lucrare împreună cu Universitatea Tehnică din Delft despre echivalentul cuantic al regulii lui Rent. Și se vorbește, printre altele, despre cipul de control Horse Ridge, despre qubiții fierbinți și despre multiplexare.
Trebuie să găsim o modalitate de multiplexare la temperaturi scăzute. Și asta va fi greu. Nu poți avea un computer cuantic de un milion de qubiți cu 2 milioane de cabluri coaxiale care ies din partea de sus a frigiderului.
Spectrul: Nu cumva Horse Ridge face multiplexare?
Clarke: Are multiplexare. A doua generație va avea un pic mai mult. Factorul de formă al firelor este mult mai mic, pentru că îl putem pune mai aproape de cip.
Așa că, dacă combinați tot ce am vorbit. Dacă vă dau un pachet care are un cip de control clasic – numiți-l o versiune viitoare a Horse Ridge – așezat chiar lângă și în același pachet cu un cip cuantic, ambele funcționând la o temperatură similară și folosind fire de interconectare foarte mici și multiplexare, aceasta ar fi viziunea.
Spectrul: Ce va necesita acest lucru?
Clarke: Va necesita câteva lucruri. Va necesita îmbunătățiri în ceea ce privește temperatura de funcționare a cipului de control. Probabil că va fi nevoie de unele implementări noi ale ambalajului, astfel încât să nu existe prea multe interferențe termice între cele două cipuri. Probabil că va necesita o capacitate de răcire și mai mare din partea frigiderului de diluție. Și, probabil, va necesita o topologie a qubiților care să faciliteze multiplexarea.
Spectrul: Având în vedere provocările tehnice semnificative despre care ați vorbit aici, cât de optimist sunteți în ceea ce privește viitorul calculului cuantic?
Clarke: La Intel, am susținut în mod constant că suntem la început în cursa cuantică. Fiecare schimbare majoră din industria semiconductoarelor s-a produs la scara unui deceniu și nu cred că va fi diferit în ceea ce privește cuantica. Deși este important să nu subestimăm provocările tehnice implicate, promisiunea și potențialul sunt reale. Sunt încântat să văd și să particip la progresul semnificativ pe care îl facem, nu doar în cadrul Intel, ci și în întreaga industrie. O schimbare informatică de o asemenea amploare va necesita ca liderii tehnologici, comunitățile de cercetare științifică, mediul academic și factorii de decizie politică să se unească pentru a impulsiona progresele în domeniu, iar în prezent se desfășoară deja o activitate extraordinară în acest sens în întregul ecosistem cuantic.
Înapoi sus