Ich erinnere mich, dass ich vor über einem Jahrzehnt im College war und in meinen fortgeschrittenen Physikkursen von Quantencomputern gehört habe. Damals war es für mich schon schwer genug, die Kernkonzepte zu verstehen und für den Professor, sie zu erklären. Springen wir in die Gegenwart, und Quantencomputer sind endlich Realität geworden, und die Mission ist nun, die Technologie zu skalieren. Wenn du ein Entwickler von Quantenalgorithmen bist, kannst du sogar Zeit auf einem Quantencomputer über die Cloud mieten und deine eigenen Quantenanwendungen ausführen.
Nicht viele Menschen haben das Innere eines Quantencomputers gesehen, wahrscheinlich bis vor den letzten zwei Jahren, als viele Technologiegiganten begannen, einige Details ihrer Systeme zu veröffentlichen. Jetzt, da wir das Privileg hatten, einige der feineren Details zu sehen, die in den Bau von Quantensystemen einfließen, wird es einfacher zu verstehen, wie einige der Hauptkomponenten eines Quantencomputers aussehen, sowie welche Funktionen sie erfüllen. Abgesehen von den Strukturen, die in Qubit-Prozessoren verwendet werden, haben die Komponenten eines Quantencomputers viele Ähnlichkeiten mit ihren klassischen Gegenstücken.
Im Moment ist der wichtigste Teil eines Quantencomputers (der Qubit-Prozessor) vollständig maßgeschneidert, aber es gibt eine Vielzahl anderer Untersysteme, die einen Quantencomputer betreiben. PCB-Designer könnten eine größere Rolle spielen, als sie denken, um diese Systeme zu kommerzialisieren. Ohne zu tief in das Thema einzutauchen, was ein Quantencomputer ist, werde ich mein Bestes tun, um die Rollen zu erklären, die von verschiedenen Komponenten eines Quantencomputers gespielt werden.
Alle Quantencomputer verwenden Quantenbits oder Qubits, um Informationen zu verarbeiten. Die populäre Erklärung für einen Quantencomputer ist, dass er die Tatsache nutzt, dass ein Qubit als Superposition (oder Kombination) von Informationszuständen existieren kann, was interpretiert wird als die Qubits in einem Quantencomputerprozessor, die gleichzeitig in einer Mischung aus 0- und 1-Zuständen sind. Die alternative philosophische Sicht der Quantenmechanik (oder die „Viele-Welten“-Interpretation) hält daran fest, dass Quantencomputer inhärent parallelisierte Maschinen sind, mit Kopien eines Quantencomputers, die mehrere Berechnungen in parallelen Universen durchführen!
Welches physikalische Bild dir auch immer am besten hilft, das Verhalten von Qubits zu verstehen, die Qubits selbst sind nur die halbe Geschichte. Die andere Hälfte beruht auf der Nutzung von Verschränkung, einem Phänomen, das Physiker immer noch verblüfft. Einstein beschrieb es als „spukhafte Fernwirkung“, da es Qubits erlaubt, in denselben Quantenzustand geschrieben zu werden, selbst wenn sie durch extrem lange Distanzen getrennt sind. Dies bringt Dinge wie Kommunikation schneller als Licht hervor und hat sogar Anwendungen wie Quantenradar hervorgebracht.
Ein Quantencomputer ist darauf ausgelegt, Qubits zu manipulieren und auszulesen, die möglicherweise mit anderen Qubits verschränkt sind oder die sich in einer Superposition von 0 und 1 befinden. Dies beruht auf einer Reihe wichtiger Komponenten und Untersysteme. Obwohl ein Quantencomputer Qubits verwendet, sind die unterstützenden Untersysteme, die ihn wie vorgesehen funktionieren lassen, alles klassische Komponenten, bis hin zu den Passiven, die in Schaltkarten verwendet werden.
Hier ist, was benötigt wird, um sicherzustellen, dass ein Quantencomputer wie vorgesehen funktioniert:
Der Quantenprozessor und die Qubits, die er enthält, müssen stark von der Umgebung isoliert sein. Wenn ein Qubit mit der umgebenden Umgebung interagiert (durch Absorbieren von Licht oder Wärme), kann der aktuelle Zustand eines Qubits verloren gehen, was einen Fehler erzeugt. Die Gewährleistung der Isolation erfordert den Einsatz von Hochvakuum-Systemen und Kühlsystemen, um zu verhindern, dass ein Qubit Dekohärenz erfährt.
Hier sind einige Komponenten und Systeme erforderlich, um die Isolation zu gewährleisten:
Ultrahochvakuum-Pumpen
Verdünnungskühlsysteme
Niedertemperatur-Thermostatsysteme
Elektromagnetische Abschirmung
Rohre für flüssiges Helium und flüssigen Stickstoff als Kühlmittel
Die Steuerung dieser Systeme erfordert einen klassischen Prozessor, um Vakuum- und Temperaturmessungen auszulesen und Anpassungen an der Vakuumleistung und Temperatur vorzunehmen. Dies erfordert keine massive klassische Rechenleistung. Ein typischer MPU oder FPGA enthält genügend Rechenleistung, um diese Steuerungssysteme zu betreiben und die Isolation zu gewährleisten, sowie Daten an eine Anwendung zu liefern, die auf einem klassischen Computer läuft. Wenn man weiter herauszoomt, gibt es möglicherweise Netzwerkausrüstung und andere Systeme um die Hauptspalte eines Quantencomputers herum, die es ihm ermöglichen, über die Cloud mit anderen Systemen zu interagieren. Die Anforderung der Isolation war bis vor kurzem ein zweischneidiges Schwert für all dies.
Ende Februar 2022 wurde bekannt gegeben, dass Forscher am US National Institute of Standards and Technology (NIST) ein System konstruiert und getestet haben, das es kommerziellen Komponenten auf Standard-Leiterplatten ermöglicht, in unmittelbarer Nähe zu ultrakalten Geräten zu arbeiten, die in Quantencomputern verwendet werden. Die Herausforderung bei der Integration auf Leiterplattenebene ist, dass die von herkömmlicher Elektronik erzeugte Wärme ein Qubit Dekohärenz erfahren lassen kann, was den Quantenzustand zerstört und einen Fehler erzeugt. Dies ist nur ein Schritt in Richtung Integration von Quanten- und klassischen Komponenten auf Systemebene.
Ein weiterer jüngster Fortschritt betrifft die Integration auf Chipebene. Anfang Februar haben Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Hitachi Cambridge Laboratory einen 40 nm CMOS-Integrierten Schaltkreis mit Silizium-Quantenpunkten und herkömmlichen zeitmultiplexen Auslesek reisen auf demselben Die entworfen. Obwohl es sich nicht um einen universellen Prozessor handelt, illustriert das Ergebnis die Möglichkeit, Quantencomputing-Komponenten im großen Maßstab mit einem Standard-CMOS-Prozess zu bauen.
Die Hauptkomponente, die einen Quantencomputer betreibt, ist der Quantenprozessor. Es gibt verschiedene Arten von Quantenprozessoren (photonic, spintronic, ion trap und andere), ähnlich wie bei klassischen Prozessoren. Zuletzt wurde gezeigt, dass Ionentrap-Quantenprozessoren eine größere Isolation für Qubits bieten. Darüber hinaus bieten sie eine größere Rechenleistung bei einer geringeren Anzahl von Qubits im Vergleich zu anderen Prozessoren.
Seit dem 28. März 2022 können Sie nun eine 25-Qubit-Quantenverarbeitungseinheit (QPU) von QuantWare kaufen, einem Unternehmen, das aus der Technischen Universität Delft in den Niederlanden hervorgegangen ist. Zuvor hatte das Unternehmen im Juli 2021 einen 5-Qubit-Prozessor von der Stange veröffentlicht. QuantWare möchte einer der führenden Chiphersteller werden, die kleine Quantenprozessoren entwickeln und produzieren. Derzeit können ihre kundenspezifischen 25-Qubit-Quantenprozessoren innerhalb von 30 Tagen an Kunden geliefert werden. Es liegt nahe, dass Quanten-ASICs und Quanten-SoCs als nächstes auf der Liste der verfügbaren Produkte stehen.
Obwohl das neue Produktangebot von QuantWare nicht der einzige jemals erschaffene Quantenprozessor ist, ist es sicherlich der erste, der als Komponente von der Stange kommerziell verfügbar gemacht wurde. Einige der bemerkenswerten Quantenprozessoren aus jüngerer Zeit umfassen Systeme, die von Unternehmen wie Intel, IBM, Honeywell, der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas und Rigetti angekündigt wurden. Das Hardware-Ökosystem zur Unterstützung der Quantencomputertechnologie beginnt schnell zu wachsen, benötigt aber viel mehr als nur Quantenprozessoren.
Eingabe- und Ausgabedaten von einem Quantenprozessor müssen über Schaltkreise, die aus supraleitenden Materialien bestehen, an ein Auslesesystem zurückgeführt werden. Diese Schnittstellen- und Ausleseschaltkreise müssen auf Temperaturen von ~10 mK abgekühlt werden. Zum Vergleich: Die Hintergrundtemperatur des Universums beträgt nur ~3 K. Letztendlich verbinden sich diese Schaltkreise wieder mit einem Auslesesystem (siehe unten), damit Daten erfasst werden können.
Supraleitende Materialien (abgesehen von Kupferoxiden bei weniger als ~35 K) sind keine Komponenten, die kommerziell beschafft werden können. Die supraleitende Schaltungstechnik, die in Quantenprozessoren und Ausleseverbindungen verwendet wird, ist derzeit maßgeschneidert, aber diese verbinden sich letztendlich mit einer Reihe von Mikrowellenkomponenten. Hier werden HF-Designer und die von ihnen verwendeten Komponenten kritisch.
Auch Quantencomputer sind von Engpässen bei spezialisierten Komponenten betroffen. In einem kürzlichen Artikel des MIT Technology Review beklagte Martin Giles „Wir hätten mehr Quantencomputer, wenn es nicht so schwer wäre, die verdammten Kabel zu finden.“ Obwohl einige spezialisierte supraleitende Kabel benötigt werden, um Daten zu übertragen, verbinden sie sich zurück mit einer Reihe von klassischen Komponenten zur Datenauslesung.
Standardkomponenten, die in RF-Frontends verwendet werden, können am Anfang der Spalte eingesetzt werden, um Signale zu erzeugen, zu verstärken und aufzunehmen, die dann mit hochbandbreitigen/rauscharmen ADCs in klassische Bits umgewandelt werden. Dies ist etwas vereinfacht, da eine Reihe von Verstärkern, Filtern und einem Detektor verwendet wird, um das Auslesesignal zu konditionieren und aufzunehmen. Während die Wahrnehmung von Quanten als eine superfortgeschrittene Technologiegruppe den Eindruck erweckt, dass fortgeschrittene RF-Komponenten benötigt werden, arbeiten diese Systeme bei moderaten mmWellen-Frequenzen. Zum Beispiel arbeitet eines der Auslesesysteme von Intel nur bei 20 GHz, was bequem im Betriebsbereich vieler RF-Systeme liegt.
Derzeit sind alle klassischen Elektronikkomponenten, die in Steuerungssystemen für Quantencomputer verwendet werden, aus diskreten Komponenten maßgefertigt. Die Integration dieser Systeme wird die Miniaturisierung fördern, wie es im Laufe der Zeit bei klassischen Computern der Fall war. Die Verantwortung dafür ist zwischen Chipherstellern, Elektronikdesignern und Integratoren von Quantensystemen aufgeteilt. Chiphersteller werden wahrscheinlich nicht so bald in die Bresche springen, was die Last auf die Systemdesigner legt, Steuerungs- und Auslesesysteme zu integrieren.
Um diese Technologien zu kommerzialisieren und neue Produkte auf den Markt zu bringen, müssen sie interoperabel mit herkömmlicher Elektronik und untereinander sein, etwas, das aktiv verfolgt wird. Quantencomputer interoperabel, leistungsfähiger (es geht hier um mehr als nur die Anzahl der Qubits) und miniaturisiert zu machen, erfordert auch einen modularen Ansatz, etwas, das durch eine größere Standardisierung ermöglicht wird. Organisationen wie das Quantum Economic Development Consortium (zur vollen Offenlegung: Ich bin ein ehemaliges Mitglied ihres Arbeitsentwicklungsausschusses) konzentrieren sich auf die Entwicklung dieser Standards, um eine größere Kommerzialisierung zu unterstützen.
Eine größere Standardisierung der Komponenten wird mehr Designern helfen, sich an der Entwicklung neuer Systeme zur Unterstützung des Quantencomputings zu beteiligen. Wenn mehr Quantenkomponenten und -systeme standardisiert und kommerzialisiert werden, werden sie nahtloser in größere elektronische Systeme integriert. Derzeit werden klassische Computer für Steuerungs- und Auslesesysteme verwendet, sowie um Quantencomputer mit der Cloud zu verbinden.
Was das Marktwachstum in den nächsten Jahren betrifft, so reichen die Prognosen der Marktgröße von 830 Millionen bis 5 Milliarden Dollar bis 2024, und wir sind auf dem besten Weg, dieses Ziel zu erreichen. Wall Street hat begonnen, Notiz zu nehmen, und einige bekannte Namen im Bereich Quantencomputing wurden 2021 durch milliardenschwere SPAC-Fusionen an die Börse gebracht. Ob diese Technologie überbewertet ist oder die nächste Welle massiver technologischer Innovationen liefern wird, bleibt abzuwarten, aber Designer werden wahrscheinlich einige der ersten kommerziell verfügbaren Quantensysteme und Entwicklungswerkzeuge sehr bald sehen.
Wenn Komponenten und Systeme für Quantencomputer kommerzialisiert werden, wird Octopart hier sein, um Designern Funktionen für das Lieferkettenmanagement zu bieten. Unabhängig davon, welches System oder Subsystem Sie entwerfen, um Quantencomputer zu unterstützen, umfasst die Suchmaschine von Octopart fortgeschrittene Filterfunktionen, um Ihnen zu helfen, genau die Komponenten auszuwählen, die Sie benötigen. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die Suche nach Ihren idealen Komponenten zu beginnen.
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