Direktör för kvanthårdvara, Jim Clarke förklarar företagets väg mot ”kvantpraktikalitet”
Jim Clarke: Det är enkelt för oss…. Spinkvits i kisel ser ut precis som en transistor…. Infrastrukturen finns där ur ett verktygs- och tillverkningsperspektiv. Vi vet hur man tillverkar dessa transistorer. Så om man kan ta en teknik som kvantdrift och koppla den till en sådan allmängiltig teknik är utsikterna för att utveckla en kvantdator mycket tydligare.
Jag medger att kiselspin qubits i dag inte är den mest avancerade tekniken för kvantdrift som finns. Det har gjorts stora framsteg under det senaste året med supraledande och jonfällaqubits.
Men det finns ytterligare några saker: En kiselspinqubit är lika stor som en transistor – vilket innebär att den är ungefär en miljon gånger mindre än en supraledande qubit. Så om man tar ett relativt stort supraledande chip och frågar sig ”hur får jag ett användbart antal qubits, säg 1 000 eller en miljon qubits?” så har man plötsligt att göra med en formfaktor som är… skrämmande.
Vi tillverkar för närvarande serverchip med miljarder och åter miljarder transistorer på dem. Så om vår spinqubit är ungefär lika stor som en transistor, skulle vi förvänta oss att den skalar mycket bättre ur ett formfaktor- och energiperspektiv.
Spektrum: Vad är kiselspinnqubits och hur skiljer de sig från konkurrerande teknik, såsom supraledande qubits och jonfångarsystem?
Clarke: Vad är kiselspinnqubits och hur skiljer de sig från konkurrerande teknik, såsom supraledande qubits och jonfångarsystem? I en jonfälla använder man i princip en laser för att manipulera en metalljon genom dess exciterade tillstånd där populationstätheten av två exciterade tillstånd representerar nollan och ettan i qubiten. I en supraledande krets skapar du den elektriska versionen av en icke-linjär LC-oscillatorkrets (induktor-kondensator), och du använder de två lägsta energinivåerna i denna oscillatorkrets som nollan och ettan i din qubit. Du använder en mikrovågspuls för att manipulera mellan noll- och etttillståndet.
Vi gör något liknande med spin-qubiten, men det är lite annorlunda. Du slår på en transistor, och du har ett flöde av elektroner från den ena sidan till den andra. I en kiselspinnqubit fångar du i princip en enda elektron i din transistor, och sedan placerar du hela saken i ett magnetfält . Detta gör att elektronen antingen snurrar uppåt eller nedåt. Vi använder i huvudsak dess spinntillstånd som noll och ett för qubiten.
Det skulle vara en individuell qubit. Då kan vi med mycket god kontroll få två separerade elektroner i nära anslutning till varandra och styra mängden växelverkan mellan dem. Och det fungerar som vår interaktion mellan två qubits.
Så vi tar i princip en transistor, som fungerar på nivån för en enda elektron, och får den i mycket nära anslutning till vad som skulle vara en annan transistor, och sedan kontrollerar vi elektronerna.
Spektrum:
Clarke: Begränsar närheten mellan intilliggande qubits hur systemet kan skalas?
Clarke: Jag kommer att svara på det på två sätt. För det första kräver interaktionsavståndet mellan två elektroner för att åstadkomma en grind med två qubits inte alltför mycket av vår process. Vi tillverkar mindre enheter varje dag på Intel. Det finns andra problem, men det är inte ett av dem.
Typiskt sett fungerar dessa qubits på ett slags närmast närliggande växelverkan. Man kan alltså ha ett tvådimensionellt rutnät av qubits, och man skulle i princip bara ha interaktioner mellan en av dess närmaste grannar. Och sedan skulle man bygga upp . Denna qubit skulle sedan ha interaktioner med sina närmaste grannar och så vidare. När man väl har utvecklat ett förväxlat system är det så man får ett fullständigt förväxlat 2D-nät.
Spektrum:
Clarke: Vad är några av de svåra frågorna just nu med kiselspinqubits?
Clarke: Genom att lyfta fram utmaningarna med den här tekniken säger jag inte att den är svårare än andra tekniker. Jag föregår detta, för visst skulle en del av det jag läser i litteraturen kunna antyda att qubits är okomplicerade att tillverka eller skala upp. Oavsett qubit-teknik är alla svåra.
Med en spinqubit tar vi en transistor som normalt har en ström av elektroner som går igenom, och vi driver den på en enda elektronnivå. Detta motsvarar att ha en enda elektron, placerad i ett hav av flera hundra tusen kiselatomer och ändå kunna manipulera om den snurrar uppåt eller nedåt.
Så vi har i huvudsak en liten mängd kisel, vi kallar detta för kanalen i vår transistor, och vi kontrollerar en enda elektron inom den biten av kisel. Utmaningen är att kisel, till och med en enkristall, kanske inte är så rent som vi behöver det. Vissa av defekterna – dessa defekter kan vara extra bindningar, de kan vara laddningsdefekter, de kan vara förskjutningar i kislet – kan alla påverka den enskilda elektron som vi studerar. Detta är verkligen ett materialproblem som vi försöker lösa.
Tillbaka till början
Spektrum:
Clarke: Vad är koherenstid och vilken betydelse har den för databehandling?
Clarke: Koherenstiden är det fönster under vilket informationen bibehålls i qubiten. När det gäller en kiselspinnqubit är det alltså hur länge det tar innan elektronen förlorar sin orientering och slumpmässigt förvränger spinntillståndet. Det är det operativa fönstret för en qubit.
Nu har alla typer av qubits vad som motsvarar koherenstider. Vissa är bättre än andra. Koherenstiderna för spin-qubits kan, beroende på typen av koherenstidsmätning, vara i storleksordningen millisekunder, vilket är ganska övertygande jämfört med annan teknik.
Det som måste hända är att vi måste utveckla en felkorrigeringsteknik. Det är ett komplicerat sätt att säga att vi ska sätta ihop ett gäng riktiga qubits och få dem att fungera som en mycket bra logisk qubit.
Spectrum: Hur nära är den typen av felkorrigering?
Clarke: Det var en av de fyra saker som verkligen måste hända för att vi ska kunna förverkliga en kvantdator som jag skrev om tidigare. Den första är att vi behöver bättre qubits. Det andra är att vi behöver bättre sammankopplingar. Den tredje är att vi behöver bättre kontroll. Och det fjärde är att vi behöver felkorrigering. Vi behöver fortfarande förbättringar av de tre första innan vi verkligen kommer att få, på ett helt skalbart sätt, till felkorrigering.
Du kommer att se grupper som börjar göra små bitar av felkorrigering på bara några få qubits. Men vi behöver bättre qubits och vi behöver ett effektivare sätt att koppla ihop dem och kontrollera dem innan vi verkligen kommer att få se helt feltoleranta kvantdatorer.
Tillbaka till början
Spektrum: En av förbättringarna av qubits nyligen var utvecklingen av ”heta” kiselqubits. Kan du förklara deras betydelse?
Clarke: Just nu har man ett chip i botten av ett utspädningskylskåp, och sedan har man för varje qubit flera ledningar som går därifrån hela vägen utanför kylskåpet. Och det är inte små kablar, det är koaxialkablar. Så från ett formfaktorperspektiv och ett energiperspektiv – var och en av dessa kablar förbrukar energi – har man verkligen ett skalningsproblem.
En av de saker som Intel gör är att vi utvecklar kontrollchip. Vi har ett kontrollchip kallat Horse Ridge som är ett konventionellt CMOS-chip som vi kan placera i kylskåpet i nära anslutning till vårt qubit-chip. I dag ligger detta kontrollchip vid 4 kelvins och vårt qubit-chip vid 10 millikelvins och vi måste fortfarande ha ledningar mellan dessa två stadier i kylskåpet.
Tänk nu om vi kan driva vår qubit något varmare. Och med något varmare menar jag kanske 1 kelvin. Helt plötsligt blir kylkapaciteten hos vårt kylskåp mycket större. Kylkapaciteten hos vårt kylskåp vid 10 millikelvin är ungefär en milliwatt. Det är inte mycket ström. Vid 1 kelvin är det förmodligen ett par watt. Så om vi kan arbeta vid högre temperaturer kan vi då placera kontrollelektronik i mycket nära anslutning till vårt qubit-chip.
Genom att ha varma qubits kan vi samintegrera vår kontroll med våra qubits, och vi börjar lösa en del av de kabeldragningsproblem som vi ser i dagens tidiga kvantdatorer.
Spectrum: Är hot qubits strukturellt sett desamma som vanliga kiselspinnqubits?
Clarke: Vissa är vad jag skulle kalla kisel-MOS-qubits – mycket lika dagens transistormaterial. I andra kiselspinnqubits har man kisel som är begravt under ett lager av kiselgermanium. Vi kallar det för en anordning med nedgrävd kanal. Var och en har sina fördelar och utmaningar.
Vi har gjort mycket arbete med TU Delft som arbetar med en viss typ av materialsystem, som är lite annorlunda än vad de flesta i samhället studerar driver systemet vid en något högre temperatur.
Jag älskade arbetet med kvantöverlägsenhet. Det gjorde jag verkligen. Det är bra för vårt samhälle. Men det är ett konstruerat problem, på ett brute force-system, där ledningarna är en röra (eller åtminstone komplexa).
Vad vi försöker göra med de heta qubitsen och med Horse Ridge-chippet är att sätta oss på en väg till skalning som kommer att få oss till en användbar kvantdator som kommer att förändra ditt eller mitt liv. Vi kallar det kvantpraktikalitet.
Tillbaka till början
Spektrum:
Clarke: Vad tror du att du kommer att arbeta mest intensivt med härnäst?
Clarke: Med andra ord: ”Vad håller Jim vaken på nätterna?”
Det finns några saker. Den första är tiden till information. I större delen av samhället använder vi dessa utspädningskylskåp. Och standardmetoden är: Man tillverkar ett chip, lägger det i ett utspädningskylskåp, det kyls ner under flera dagar, man experimenterar med det under flera veckor, sedan värmer man upp det igen och lägger ett nytt chip i det.
Jämför det med vad vi gör för transistorer: Vi tar en 300 millimeter stor skiva, lägger den på en sondstation och efter två timmar har vi tusentals och åter tusentals datapunkter över hela skivan som berättar något om vår avkastning, vår jämnhet och vår prestanda.
Det finns egentligen inte inom kvantberäkningen. Så vi frågade: ”Finns det ett sätt – vid något högre temperaturer – att kombinera en sondstation med ett utspädningskylskåp?”. Under de senaste två åren har Intel samarbetat med två företag i Finland för att utveckla det vi kallar cryoprober. Och denna är just nu på väg att tas i bruk. Vi har gjort ett imponerande arbete med att installera den här massiva utrustningen i total frånvaro av fältingenjörer från Finland på grund av Coronaviruset.
Vad detta kommer att göra är att påskynda vår tid till information med en faktor på upp till 10 000. Så i stället för att koppla ihop ett enskilt prov, lägga det i kylskåpet, ta en vecka eller till och med några dagar på oss för att studera det, kommer vi att kunna placera en 300-millimeter-skiva i den här enheten och under loppet av en kväll ta ett steg och skanna. Vi kommer alltså att få en enorm ökning av genomströmningen. Jag skulle säga en 100 gånger större förbättring. Mina ingenjörer skulle säga 10 000. Jag lämnar det som en utmaning för dem att imponera på mig utöver de 100.
Här är den andra saken som håller mig vaken på nätterna. Innan jag startade Intels kvantdatorprogram var jag ansvarig för forskning om sammankopplingar i Intels Components Research Group. (Detta är ledningar på chip.) Så jag är lite mindre bekymrad över ledningarna in och ut ur kylskåpet än vad jag är om ledningarna på chipet.
Jag ska ge ett exempel: Ett serverchip från Intel har förmodligen mer än 10 miljarder transistorer på ett enda chip. Ändå är antalet ledningar som kommer från detta chip ett par tusen. Ett chip för kvantdatorer har fler trådar som kommer från chipet än det finns qubits. Detta var definitivt fallet med Googles arbete förra året. Detta var definitivt fallet för Tangle Lake-chippet som Intel tillverkade 2018, och det är fallet med våra spinnkbitchip som vi tillverkar nu.
Så vi måste hitta ett sätt att göra sammankopplingarna mer eleganta. Vi kan inte ha fler ledningar som kommer från chipet än vad vi har enheter på chipet. Det är ineffektivt.
Detta är något som de konventionella datorerna upptäckte i slutet av 1960-talet med Rent’s Rule . Förra året publicerade vi en artikel tillsammans med Technical University Delft om kvantsekvivalenten till Rent’s Rule. Där talas det bland annat om Horse Ridge-kontrollchipet, de heta qubitsen och multiplexering.
Vi måste hitta ett sätt att multiplexera vid låga temperaturer. Och det kommer att bli svårt. Man kan inte ha en kvantdator med en miljon qubits med 2 miljoner koaxialkablar som kommer ut ur kylskåpets topp.
Spektrum:
Clarke: Gör inte Horse Ridge multiplexing?
Clarke: Den har multiplexering. Den andra generationen kommer att ha lite mer. Ledningarnas formfaktor är mycket mindre, eftersom vi kan placera dem närmare chipet.
Så om man kombinerar allt jag har talat om. Om jag ger dig ett paket där ett klassiskt kontrollchip – kalla det en framtida version av Horse Ridge – sitter precis bredvid och i samma paket som ett kvantchip, båda arbetar vid en liknande temperatur och använder sig av mycket små kopplingstrådar och multiplexering, så skulle det vara visionen.
Spektrum: Vad kommer det att kräva?
Clarke: Det kommer att kräva några saker. Det kommer att kräva förbättringar av arbetstemperaturen för kontrollchipet. Det kommer förmodligen att krävas några nya lösningar för förpackningen så att det inte blir så mycket termisk korskoppling mellan de två chipen. Det kommer förmodligen att kräva ännu större kylkapacitet från utspädningskylskåpet. Och det kommer förmodligen att krävas en kvbit-topologi som underlättar multiplexering.
Spektrum: Med tanke på de betydande tekniska utmaningar som du har talat om här, hur optimistisk är du när det gäller framtiden för kvantdatorer?
Clarke: På Intel har vi konsekvent hävdat att vi är tidigt ute i kvantkapplöpningen. Varje större förändring inom halvledarindustrin har skett på tio års sikt, och jag tror inte att det kommer att bli någon skillnad när det gäller kvantdatorer. Det är viktigt att inte underskatta de tekniska utmaningarna, men löftena och potentialen är verkliga. Jag ser fram emot att se och delta i de betydelsefulla framsteg som vi gör, inte bara inom Intel utan i branschen som helhet. Ett datorskifte av den här magnituden kommer att kräva att teknikledare, vetenskapliga forskargrupper, den akademiska världen och beslutsfattare går samman för att driva framstegen inom området, och det pågår redan idag ett enormt arbete på den fronten i hela kvant-ekosystemet.
Tillbaka till början