Intel и QuTech: Квантовые процессоры

2021: Прогресс в достижении квантовой масштабируемости за счет программирования кремниевых кубитов с помощью Horse Ridge

Компании Intel и QuTech – совместный проект Технологического университета Делфта и Организации прикладных научных исследований Нидерландов – 14 мая 2021 года сообщили о публикации ключевых результатов исследований в области квантовых вычислений, направленных на устранение «узкого места межсоединений» между квантовыми чипами, которые находятся в криогенных рефрижераторах растворения, и сложной электроникой для управления кубитами, которая работает при комнатной температуре. Инновации, представленные в отраслевом научном журнале Nature, знаменуют важный этап в решении одной из серьезных проблем масштабирования квантовых вычислений с помощью микросхемы криогенного контроллера Intel Horse Ridge.

Intel и QuTech добились прорыва в решении проблемы квантовых межсоединений

Работа управляющей электроники с высокой точностью при криогенных температурах позволила бы преодолеть так называемое «узкое место интерконнекта/электропроводки». Intel сделала первый шаг к решению этой проблемы с анонсом Horse Ridge – криогенной управляющей микросхемы для кубитов, построенной с использованием 22-нм технологии Intel FinFET LowPower. Второе поколение микросхем было представлено в 2020 году. Horse Ridge перенес основные функции управления квантовым компьютером в криогенный рефрижератор – как можно ближе к самим кубитам – для упрощения сложных цепей управления квантовыми системами.

Представленное в публикации исследование демонстрирует успешные результаты рандомизированного тестирования, которые показывают, что серийно выпускаемый крипто-контроллер на базе КМОП-структуры обеспечивает когерентное управление двух-кубитным процессором с тем же уровнем точности (99,99%), который обеспечивает электроника при комнатной температуре. Это знаменует ключевую веху исследований в области крипто-электроники для квантовых вычислений, подчеркнули в Intel и QuTech.

В частности, компании успешно продемонстрировали частотное мультиплексирование, используя единственный кабель для управления двумя кубитами. Это важное подтверждение работоспособности концепции, поскольку каждый кубит управляется индивидуально по отдельному кабелю – подход, который не масштабируется по мере нарастания числа кубитов. Horse Ridge предназначен для устранения этого ограничения с помощью мультиплексирования для уменьшения числа радиочастотных кабелей, необходимых для управления кубитами, пояснили исследователи.

В рамках исследования продемонстрирована программируемость контроллера на двух-кубитном алгоритме Дойча-Йозса, который более эффективен на квантовых компьютерах нежели на традиционных вычислительных системах.

Результаты исследования, проверенные рандомизированным тестированием, подтверждают исходный потенциал Horse Ridge как высокоинтегрированного и масштабируемого решения для упрощения квантовой управляющей электроники, и доказывают, что эта технология может применяться непосредственно для мульти-кубитных алгоритмов и зашумленных квантовых устройств промежуточного масштаба, подчеркнули в Intel и QuTech.

По словам исследователей, дальнейшие изыскания в этой области могут привести к полноценной интеграции микросхемы контроллера и кубитов на одном кристалле или в одном корпусе – тем более, что все они изготавливаются из кремния, проложив таким образом путь к квантовой масштабируемости.

2020: Криогенный квантовый процессор Horse Ridge

19 февраля 2020 года компания Intel Labs совместно с QuTech раскрыли ключевые технические характеристики своего криогенного квантового процессора под кодовым названием Horse Ridge. Подробности представлены в научной работе, в статье рассмотрены ключевые технические возможности Horse Ridge, которые позволяют решить фундаментальные проблемы при построении квантовой системы, достаточно мощной, чтобы продемонстрировать практичность и целесообразность квантовых вычислений, а также те преимущества, которые они в себе несут (quantum practicality): масштабируемость, гибкость и точность.

Как сообщалось, на февраль 2020 года исследователи в области квантовых вычислений работают лишь с небольшим числом кубитов в маленьких, специально разработанных системах, окруженных сложными механизмами управления и межсоединений. Представленный Intel чип Horse Ridge значительно упрощает все эти сложные задачи.

На февраль 2020 года сообщество исследователей в области квантовых вычислений находится лишь на первых этапах своей работы по демонстрации практической целесообразности этой технологии. Возможность применения квантовых вычислений для решения практических задач зависит от способности масштабировать систему до тысяч кубитов и одновременно управлять ей с высокой точностью. Чип Horse Ridge значительно упрощает современную сложную управляющую электронику, необходимую для работы такой квантовой системы, благодаря использованию высокоинтегрированной системы на кристалле (SoC). Она позволяет ускорить настройку системы, повысить производительность кубитов и обеспечить ее эффективное масштабирование до большего числа кубитов, необходимого для применения квантовых вычислений в решении практических задач.

Основные технические подробности, освещенные в научной статье:

• Масштабируемость: Интегрированная система на кристалле (SoC), реализованная с использованием 22нм CMOS технологии Intel FFL (FinFET Low Power), объединяет в одном устройстве сразу четыре радиочастотных (RF) канала. Каждый канал способен контролировать до 32 кубитов, используя частотное мультиплексирование – метод, который делит общий доступный диапазон частот на серию непересекающихся частотных диапазонов, каждый из которых используется для передачи отдельного сигнала. Используя эти четыре канала, Horse Ridge может потенциально контролировать до 128 кубитов с помощью одного устройства, что позволяет существенно сократить количество кабелей и инфраструктурного оборудования, по сравнению с тем, что требовалось ранее.
• Точность: Увеличение числа кубитов вызывает другие проблемы, которые затрудняют наращивание мощности квантовой системы и ставят под вопрос возможность ее эксплуатации. Одним из таких потенциальных негативных последствий является снижение точности и производительности кубита. Разрабатывая чип Horse Ridge, Intel оптимизировала технологию мультиплексирования, которая позволяет масштабировать систему и уменьшить ошибки от «фазового сдвига» – явления, которое может возникнуть при управлении множеством кубитов на разных частотах, что приводит к появлению перекрестных помех между кубитами. Различные частоты, используемые в Horse Ridge, можно «подстраивать» с высокой точностью, что позволяет квантовой системе адаптироваться и автоматически корректировать фазовый сдвиг при управлении несколькими кубитами через один и тот же радиочастотный канал, тем самым улучшая точность срабатывания кубитных вентилей.
• Гибкость: Чип Horse Ridge способен работать с широким диапазоном частот, позволяя управлять как работой сверхпроводящих кубитов (так называемых трансмонсов – transmons), так и спиновых кубитов. Трансмонсы на февраль 2020 года обычно работают на частоте около 6 ГГц-7 ГГц, тогда как спиновые кубиты – на частоте от 13 ГГц до 20 ГГц.

Intel изучает кремниевые спиновые кубиты, которые могут работать при достаточно высоких для кубитов температурах до 1 градуса Кельвина. Данное исследование открывает возможности для интеграции кремниевых спин-кубитных устройств и криогенной системы управления, реализованной в Horse Ridge, для создания решения, которое позволяет объединить кубиты и элементы управления в одном удобном пакете.

2017: Экспериментальный квантовый 17-кубитный процессор

В октябре 2017 года было объявлено о поставке экспериментального 17-кубитного процессора Intel, созданного на базе технологий сверхпроводимости, в нидерландский исследовательский центр QuTech, занимающийся совместно с Intel исследованиями в области квантовой физики. Процессор, изготовленный на производственных мощностях Intel, отличается уникальной структурой кристалла, позволяющей повысить выход годных кристаллов на пластине и добиться существенного прироста производительности.

По сути своей, квантовые вычислительные системы представляют собой вершину развития параллельных вычислений. Этим системы способны решать сложнейшие вычислительные задачи, недоступные традиционным компьютерам. В частности, квантовые компьютеры позволяют осуществлять моделирование природных процессов в интересах специалистов по химии, материаловедению и молекулярной физике. С появлением квантовых компьютеров учёные, наконец, смогут создать катализатор для абсорбирования углекислого газа из атмосферы, сверхпроводники, способные работать при комнатной температуре, и новые лекарства от неизлечимых пока болезней.

Intel создал сверхпроводящий квантовый чип из 17 кубитов

Однако несмотря на существенный прогресс в исследованиях и активные дискуссии об успехах учёных, остаётся актуальной проблема преодоления естественных препятствий на пути создания жизнеспособных крупномасштабных квантовых систем, способных демонстрировать требуемую точность вычислений. Одним из таких препятствий является проблема производства однородных и стабильных кубитов (базовых элементов квантовых вычислительных систем).

Кубиты требуют крайне нежного обращения. Случайный шум и даже случайное наблюдение за кубитом способны привести к потере данных. Для устойчивой работы кубитов необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды - на уровне 20 миллиКельвин, что в 250 раз холоднее температуры открытого космоса. Подобный температурный режим предъявляет строжайшие требования к конструкции корпусов квантовых систем, в состав которых входят кубиты. Стремясь реализовать весь потенциал квантовых вычислительных систем, специалисты Intel из Группы исследования компонентов (CR) в Орегоне и Экспериментального производственного комплекса (ATTD) в Аризоне напряжённо работают над созданием инновационных архитектур и корпусов для выполнения уникальных требований и задач квантовых вычислительных систем.

При размере не больше десятирублёвой монеты новый 17-кубитный экспериментальный процессор обладает следующими возможностями:

• Архитектура чипа позволила добиться повышенной надёжности работы, улучшить температурные характеристики и снизить уровень радиопомех, возникающих в процессе совместной работы кубитов.
• Масштабируемая схема подключения обеспечивает расширение пропускной способности ввода/вывода от 10 до 100 раз по сравнению с традиционными микросхемами на проволочных контактах.
• Использование техпроцессов, материалов и конструкционных решений позволило инженерам Intel разместить в корпусе чипа квантовые интегральные схемы, которые по своим габаритам существенно превышают аналогичные элементы традиционных кремниевых процессоров.

Прогресс в области квантовых вычислительных систем:

• Сотрудничество Intel и QuTech в области квантовых вычислений отнюдь не ограничивается разработкой и тестированием сверхпроводящих устройств на базе кубитов. В рамках совместной работы партнёры занимаются исследованиями всех аспектов квантовых вычислительных систем, от самих кубитов до программных и аппаратных архитектур для управления кубитами и квантовых приложений. Все эти элементы необходимы для преодоления пути от исследовательской лаборатории до реальных продуктов.
• В отличие от конкурентов, Intel одновременно изучает сразу несколько типов кубитов. Помимо сверхпроводящих кубитов, использованных в качестве элементов этого новейшего экспериментального процессора, специалисты Intel занимаются разработкой еще одного вида кубитов – спин-кубитов в кремнии. Эти спин-кубиты напоминают одноэлектронный транзистор и во многих аспектах ведут себя аналогично традиционным транзисторам, что позволяет наладить их производство, используя схожие техпроцессы.
• Благодаря выдающейся производительности и эффективности, квантовые компьютеры будущего смогут решить целый ряд важнейших проблем, однако они не смогут заменить собой традиционные вычислительные системы и другие инновационные технологии, к числу которых, в частности, относятся нейроморфные вычисления (смотрите Loihi (нейроморфный процессор). Опираясь на принципы Закона Мура, мы должны непрерывно двигаться вперёд, изобретая новые и развивая существующие инновационные вычислительные технологии.