Ricordo di essere stato all'università più di un decennio fa e di aver sentito parlare dei computer quantistici nelle mie lezioni di fisica avanzata. All'epoca, era già abbastanza difficile per me capire i concetti di base e per il professore spiegarli. Andando avanti fino ad oggi, i computer quantistici sono finalmente diventati una realtà, e la missione è diventata quella di scalare la tecnologia. Se sei uno sviluppatore di algoritmi quantistici, puoi persino noleggiare tempo su un computer quantistico tramite il cloud ed eseguire le tue applicazioni quantistiche.
Non molte persone hanno visto l'interno di un computer quantistico fino probabilmente agli ultimi due anni, quando molti giganti tecnologici hanno iniziato a pubblicizzare alcuni dettagli dei loro sistemi. Ora che abbiamo avuto il privilegio di vedere alcuni dei dettagli più raffinati che contribuiscono alla costruzione dei sistemi quantistici, diventa più facile capire quali siano alcuni dei componenti principali di un computer quantistico, così come quali funzioni svolgono. A parte le strutture utilizzate nei processori di qubit, i componenti dei computer quantistici hanno molte somiglianze con i loro omologhi classici.
Al momento, la parte più importante di un computer quantistico (il processore di qubit) è interamente personalizzata, ma ci sono una serie di altri sottosistemi che fanno funzionare un computer quantistico. I progettisti di PCB possono svolgere un ruolo più grande di quanto pensino nell'aiutare a commercializzare questi sistemi. Senza addentrarmi troppo in cosa sia un computer quantistico, farò del mio meglio per spiegare i ruoli svolti dai diversi componenti di un computer quantistico.
Tutti i computer quantistici utilizzano bit quantistici, o qubit, per elaborare le informazioni. La spiegazione popolare per un computer quantistico è che sfrutta il fatto che un qubit può esistere come una sovrapposizione (o combinazione) di stati di informazione, che viene interpretata come i qubit nel processore di un computer quantistico che si trovano in una sorta di mix di stati 0 e 1 simultaneamente. La visione filosofica alternativa della meccanica quantistica (o l'interpretazione dei "Molti Mondi") sostiene che i computer quantistici sono macchine intrinsecamente parallelizzate, con copie di un computer quantistico che eseguono calcoli multipli in universi paralleli!
Qualunque immagine fisica ti aiuti a comprendere meglio il comportamento dei qubit, i qubit stessi sono solo metà della storia. L'altra metà si basa sull'uso dell'intreccio, un fenomeno che ancora confonde i fisici. Einstein lo descrisse come "azione spettrale a distanza" poiché permette ai qubit di essere scritti nello stesso stato quantistico, anche quando separati da distanze estremamente lunghe. Questo porta a cose come la comunicazione più veloce della luce e ha persino generato applicazioni come il radar quantistico.
Un computer quantistico è progettato per manipolare e leggere i qubit, che possono essere intrecciati con altri qubit, o che possono trovarsi in una sovrapposizione di 0 e 1. Questo si basa su un numero di componenti e sottosistemi importanti. Anche se un computer quantistico utilizza i qubit, i sottosistemi di supporto che lo fanno funzionare come progettato sono tutti componenti classici, fino ai passivi utilizzati nei circuiti stampati.
Ecco cosa è necessario per garantire che un computer quantistico funzioni come progettato:
Il processore quantistico, e i qubit che contiene, devono essere fortemente isolati dall'ambiente. Quando un qubit interagisce con l'ambiente circostante (attraverso l'assorbimento di luce o calore), lo stato attuale di un qubit può essere perso, creando un errore. Garantire l'isolamento comporta l'uso di sistemi ad alto vuoto e di refrigerazione per prevenire la decoerenza di un qubit.
Questo è il punto in cui sono necessari numerosi componenti e sistemi per garantire l'isolamento:
Pompe per vuoto ad altissimo vuoto
Sistemi di refrigerazione a diluizione
Sistemi termostatici a bassa temperatura
Schermature elettromagnetiche
Tubature per refrigerante ad elio liquido e azoto liquido
Controllare questi sistemi richiede un processore classico per leggere le misurazioni del vuoto e della temperatura e fare aggiustamenti alla potenza del vuoto e alla temperatura. Questo non richiede una potenza di calcolo classica massiccia. Un tipico MPU o FPGA contiene abbastanza potenza di elaborazione per gestire questi sistemi di controllo e garantire l'isolamento, oltre a fornire dati a un'applicazione in esecuzione su un computer classico. Continuando a zoomare verso l'esterno, potrebbero esserci apparecchiature di rete e altri sistemi intorno alla colonna principale in un computer quantistico che gli permettono di interfacciarsi con altri sistemi tramite il cloud. Il requisito di isolamento è stato una spada a doppio taglio per tutto questo fino a poco tempo fa.
Alla fine di febbraio 2022, è stato annunciato che i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti hanno costruito e testato un sistema che consente ai componenti commerciali su schede di circuito standard di operare in stretta prossimità con dispositivi ultra-freddi utilizzati nei computer quantistici. La sfida con l'integrazione a livello di scheda di circuito è il calore generato dall'elettronica convenzionale può causare la decoerenza di un qubit, che distrugge lo stato quantistico e crea un errore. Questo è solo un passo verso l'integrazione dei componenti quantistici e classici a livello di sistema.
Un altro recente progresso riguarda l'integrazione a livello di chip. All'inizio di febbraio, i ricercatori dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e del Hitachi Cambridge Laboratory hanno progettato un circuiti integrato CMOS da 40 nm con punti quantici di silicio e circuiti di lettura multiplexati nel dominio temporale sullo stesso die. Sebbene non si tratti di un processore generico, il risultato illustra la possibilità di costruire componenti per il calcolo quantistico su larga scala con un processo CMOS standard.
Il componente principale che permette il funzionamento di un computer quantistico è il processore quantistico. Esistono diverse tipologie di processori quantistici (fotonici, spintronici, a trappola di ioni e altri), proprio come i processori classici. Di recente, è stato dimostrato che i processori quantistici a trappola di ioni offrono un'isolamento maggiore per i qubit. Inoltre, forniscono una maggiore potenza di calcolo con un numero inferiore di qubit rispetto ad altri processori.
Al 28 marzo 2022, è ora possibile acquistare un'unità di elaborazione quantistica (QPU) da 25 qubit da QuantWare, un'azienda derivata dall'Università di Delft nei Paesi Bassi. In precedenza, l'azienda aveva rilasciato un processore da 5 qubit disponibile sul mercato a luglio 2021. QuantWare vuole diventare uno dei principali produttori di chip che sviluppano e producono processori quantistici su piccola scala. Attualmente, i loro processori quantistici personalizzati da 25 qubit possono essere consegnati ai clienti in 30 giorni. Segue logicamente che gli ASIC quantistici e i SoC quantistici sono i prossimi sulla lista dei prodotti disponibili.
Sebbene la nuova offerta di prodotti di QuantWare non sia l'unico processore quantistico mai creato, è certamente il primo ad essere reso disponibile commercialmente come componente off-the-shelf. Alcuni dei processori quantistici degni di nota di recente memoria includono sistemi annunciati da aziende come Intel, IBM, Honeywell, l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina e Rigetti. L'ecosistema hardware per supportare il calcolo quantistico sta iniziando a crescere rapidamente, ma richiede molto più che processori quantistici.
I dati di input e output da un processore quantistico devono essere inviati a un sistema di lettura utilizzando circuiti realizzati con materiali superconduttori. Questi circuiti di interfaccia e lettura devono essere portati a temperature di ~10 mK. Solo per confronto, la temperatura di fondo dell'universo è solo di ~3 K. In definitiva, questi circuiti si collegano di nuovo a un sistema di lettura (vedi sotto) in modo che i dati possano essere catturati.
I materiali superconduttori (a parte gli ossidi di rame a meno di ~35 K) non sono qualcosa che può essere reperito commercialmente. I circuiti superconduttori utilizzati nei processori quantistici e negli interconnettori di lettura sono attualmente realizzati su misura, ma alla fine si interfacciano con un insieme di componenti a microonde. Qui è dove i progettisti RF e i componenti che utilizzano diventano critici.
Anche i computer quantistici sono stati vittime della carenza di componenti specializzati. In un recente articolo di MIT Technology Review, Martin Giles ha lamentato "Avremmo più computer quantistici se non fosse così difficile trovare i dannati cavi." Sebbene siano necessari alcuni cavi superconduttori specializzati per trasferire i dati, questi si collegano a un insieme di componenti classici per la lettura dei dati.
I componenti standard utilizzati nei front-end RF possono essere utilizzati in cima alla colonna per generare, amplificare e catturare i segnali di lettura, che vengono poi convertiti in bit classici con ADC ad alta larghezza di banda/basso rumore. Questo è un po' semplificato poiché esiste una serie di amplificatori, filtri e un rilevatore utilizzati per condizionare e catturare il segnale di lettura. Mentre la percezione del quantum come un insieme di tecnologie super-avanzate crea l'impressione che siano necessari componenti RF avanzati, questi sistemi operano a frequenze mmWave moderate. Ad esempio, uno dei sistemi di lettura di Intel opera a soli 20 GHz, che è comodamente all'interno dell'intervallo operativo di molti sistemi RF.
Attualmente, tutta l'elettronica classica utilizzata nei sistemi di controllo per i computer quantistici è realizzata su misura da componenti discreti. L'integrazione di questi sistemi aiuterà la miniaturizzazione, proprio come è avvenuto nel tempo con i computer classici. La responsabilità per questo è divisa tra i produttori di chip, i progettisti di elettronica e gli integratori di sistemi quantistici. È improbabile che i produttori di chip si facciano avanti a breve termine, spostando l'onere sui progettisti di sistemi per integrare sistemi di controllo e lettura.
Per commercializzare queste tecnologie e portare nuovi prodotti sul mercato, devono essere interoperabili con l'elettronica convenzionale e tra loro, qualcosa che viene attivamente perseguito. Rendere i computer quantistici interoperabili, più potenti (questo riguarda più che il semplice conteggio dei qubit) e miniaturizzati richiede anche adottare un approccio modulare, qualcosa che sarà reso possibile da una maggiore standardizzazione. Organizzazioni come il Quantum Economic Development Consortium (a piena divulgazione: sono stato un ex membro del loro comitato per lo sviluppo della forza lavoro) si stanno concentrando sullo sviluppo di questi standard per aiutare una maggiore commercializzazione.
Una maggiore standardizzazione dei componenti aiuterà più progettisti a coinvolgersi nello sviluppo di nuovi sistemi per supportare il calcolo quantistico. Man mano che più componenti e sistemi quantistici diventano standardizzati e commercializzati, saranno integrati più senza soluzione di continuità con sistemi elettronici più grandi. Attualmente, i computer classici sono utilizzati per i sistemi di controllo e lettura, così come per collegare i computer quantistici al cloud.
Per quanto riguarda la crescita del mercato nei prossimi anni, le proiezioni sulla dimensione del mercato variano da 830 milioni a 5 miliardi di dollari entro il 2024, e siamo ben avviati a raggiungere questo obiettivo. Wall Street ha iniziato a prendere nota, e alcuni noti nomi di computing quantistico sono stati portati in pubblico attraverso fusioni SPAC da miliardi di dollari nel 2021. Se questa tecnologia è sopravvalutata o porterà la prossima ondata di massiccia innovazione tecnologica resta da vedere, ma è probabile che i progettisti vedranno alcuni dei primi sistemi quantistici commercialmente disponibili e strumenti di sviluppo diventare disponibili molto presto.
Man mano che i componenti e i sistemi per computer quantistici diventano commercializzati, Octopart sarà qui per offrire funzionalità di gestione della catena di approvvigionamento ai progettisti. Non importa quale tipo di sistema o sottosistema stai progettando per supportare i computer quantistici, il motore di ricerca di Octopart include funzionalità avanzate di filtraggio per aiutarti a selezionare esattamente i componenti di cui hai bisogno. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per iniziare la ricerca dei tuoi componenti ideali.
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