Как инженеры решают проблему создания больших квантовых компьютеров
По мере того, как исследователи стремятся повысить производительность квантовых компьютеров, они сталкиваются с той же проблемой, что и многие люди после больших праздников: в холодильнике недостаточно места.
Современные процессоры для квантовых компьютеров должны работать внутри криогенных корпусов при почти абсолютном нуле (-273.15 градусов по Цельсию). Обеспечить температуры в несколько кельвинов сейчас не проблема, однако электроника, необходимая для считывания и контроля таких процессоров, просто не работает при таких температурах. Таким образом, эта дополнительная электроника должна находиться за пределами холодильника.
Для современных систем, имеющих не более нескольких десятков кубитов, все еще есть возможность подключить специальные кабели, идущих из "холодильника", чтобы установить соединение. Но в будущих систем с миллионами кубитов мест для подключения просто не хватит. Такие системы будут нуждаться в чипах управления с сверхнизким тепловыделением (чтобы почти не увеличивать температуру), которые смогут работать внутри криогенной установки. Инженеры представили некоторые потенциальные решения в декабре во время Международной конференции IEEE по электронным устройствам (IEDM) в Сан-Франциско. Они варьировались от привычных до действительно экзотических.
CryoCMOS
Чип Horse Ridge от Intel. Внешне похож на чипсет, чем он в принципе и является, кроме одной особенности - может работать при криогенных температурах.
Возможно, самый простой способ создания криогенных элементов управления квантовыми компьютерами - это модификация технологии CMOS, с помощью которой создают современные полупроводниковые интегральные схемы. Предложила такое решение компания Intel. Она представила криогенный CMOS-чип под названием Horse Ridge, который переводит инструкции квантового компьютера в базовые кубитные операции, которые он передает квантовому процессору в виде микроволновых сигналов.
Horse Ridge рассчитан на работу при температуре всего 4 градуса по Кельвину, что несколько выше рабочей температуры самого квантового процессора, но все еще она достаточно низкая, чтобы находиться с ним в одном холодильнике. Компания использовала достаточно старый 22-нанометровый производственный процесс FinFET для создания чипа, но транзисторы, составляющие схему управления, пришлось существенно переработать.
"Если вы возьмете транзистор и охладите его до 4 кельвинов, далеко не факт, что он будет работать", - говорит Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию Intel. "Есть много фундаментальных характеристик устройств, которые зависят от температуры". Основная проблема тут в том, что при сверхнизких температурах сильно снижается ширина запрещенной зоны, то есть полупроводник становится обычным проводником, а, значит, никаких вычислений вести на нем не получится.
Другие компании работают в том же духе. Так, Google представил криогенную схему управления на CMOS ранее в 2019 году. В исследовании, опубликованном пока только на arxiv.org, инженеры Microsoft создали микросхему управления на CMOS с 100 000 транзисторов, которая способна работать всего при 100 милликельвинах.
Микрореле
Микрореле, способные работать при сверхнизких температурах. Электромеханическое реле - это устройство, которое способно резко увеличивать значение какой-либо выходной величины (частоты, тока, напряжения) при определенном значении входной электрической величины.
В логических схемах транзисторы действуют как переключатели, но это не единственные устройства, которые способны делать это. Инженеры лаборатории Цу-Чжэ Кинг Лю в Калифорнийском университете в Беркли разработали микроскопические электромеханические реле в качестве альтернативы транзисторам с сверхнизким тепловыделением. Они были удивлены, обнаружив, что их устройства работают лучше при 4 градусах по Кельвину, чем при комнатной температуре.
При комнатной температуре такие реле страдают от некоторых механических особенностей. Во-первых, кислород из окружающего воздуха может вступать в реакцию с поверхностями электродов реле. Со временем эта реакция может сформировать слой оксида с высоким сопротивлением, ограничивающий способность микрореле проводить ток. Но при температуре в 4 кельвина кислород находится только в твердом состоянии, поэтому такая проблема решается сама собой.
Во-вторых, контакты в микроскопических реле имеют тенденцию спаиваться. Это проявляется в виде эффекта гистерезиса: реле размыкается при несколько ином напряжении, чем то, при котором оно замыкается. Но поскольку силы адгезии (межмолекулярного сцепления) уменьшаются при снижении температуры, гистерезис при 4 кельвинах в 20 раз меньше, чем при комнатной температуре.
"Мы и не подозревали заранее, что эти микрореле будут так хорошо работать при криогенных температурах", - говорит Лю, руководивший этим исследованием. "Оглядываясь назад, мы должны были это понять сразу".
Однопоточная квантовая логика
Компания Hypres в Элмсфорде, штат Нью-Йорк, уже несколько лет занимается коммерциализацией криогенных микросхем. Стремясь направить свою технологию быстрой однопоточной квантовой логики (rapid single-flux quantum logic, RSFQ) в область квантовых вычислений, компания недавно основала стартап с названием Seeqc.
В RSFQ и его квантовой версии, логике SFQuClass, квантованные импульсы напряжения блокируются, передаются или маршрутизируются с помощью джозефсоновского эффекта. Он заключается в том, что через тонкий слой диэлектрика между двумя сверхпроводниками может течь сверхпроводящий ток. Этот же эффект используется во многих современных квантовых процессорах. В 2014 году физики из Университета Висконсин-Мэдисон впервые предположили, что эти импульсы могут быть использованы для программирования кубитов, и ученые Seeqc сотрудничают с ними с 2016 года.
Микросхема, которая использует эффект Джосефсона. Проводники в данном случае это белые квадратики, составляющие длинные ряды. А диэлектрик - это серое вещество между ними.
В настоящее время компания Seeqc разрабатывает целую систему с использованием этой технологии, куда войдет чип цифрового управления, исправления ошибок и считывания данных, рассчитанный на работу при 3-4 градусах по Кельвину, а также отдельная микросхема, рассчитанная на работу при 20 милликельвинах для взаимодействия с квантовым процессором.
Полуметаллы Вейля
Квантовые вычисления - штука уже сама по себе странная, но для того, чтобы заставить их работать, может потребоваться еще более странная технология. Ученые из Лундского университета в Швеции и компании IBM разработали новое устройство, названное полуметаллическим усилителем Вейля, которое, по их словам, может приблизить считывающую электронику к кубитам. Не беспокойтесь, если вы не знаете, что такое полуметалл Вейля. В этих материалах есть вещи, которые даже ученые, пытающиеся сделать из них устройства, не до конца понимают.
Что ученые про них знают, так это то, что эти материалы, такие как дифосфид вольфрама, проявляют чрезвычайно сильное, зависящее от температуры, магнитосопротивление при охлаждении до температуры ниже 50 кельвинов. Устройство, которое они смоделировали, имеет электрод затвора, который создает магнитное поле внутри полуметалла Вейля, заставляя его сопротивление переходить от крошечного к огромному за считанные пикосекунды. Подключение входного сигнала от кубита к устройству может создать усилитель с высоким коэффициентом усиления, который рассеивает всего 40 микроватт тепла. Это достаточно мало, чтобы усилитель мог находиться в той части холодильника, где находятся сами кубиты.
Играясь сопротивлением полуметалла Вейля, можно заставлять электроны проникать внутрь кристалла по определенным каналам. Это можно использовать как для передачи информации, так и для усиления сигнала.
Конечно, пока что такие сложные устройства не особо нужны, но скоро все изменится. Посудите сами: в конце 2001 года самый лучший квантовый компьютер был у IBM, и он имел всего 7 кубитов. В январе 2018 года Intel создала сверхпроводящую квантовую микросхему Tangle Lake с 49 кубитами, а октябре 2019 года Google создала 53-кубитный квантовый процессор Sycamore. Пройдет еще несколько лет, и число используемых кубитов пойдет на сотни, и тогда проблема взаимодействия с ними при криогенных температурах выйдет на передний план. Именно поэтому ученые уже сейчас придумывают способы ее решения.
