Jak będą wyglądały komponenty komputerów kwantowych?

Pamiętam, jak będąc na studiach ponad dekadę temu, słyszałem o komputerach kwantowych na zajęciach z fizyki na wyższym poziomie. Wtedy trudno było mi zrozumieć podstawowe koncepcje, a profesorowi wyjaśnić je. Przesuwając się do dzisiaj, komputery kwantowe w końcu stały się rzeczywistością, a misja stała się skalowaniem technologii. Jeśli jesteś programistą algorytmów kwantowych, możesz nawet wynająć czas na komputerze kwantowym przez chmurę i uruchamiać własne aplikacje kwantowe.

Niewiele osób widziało wnętrze komputera kwantowego, prawdopodobnie do ostatnich dwóch lat, kiedy wiele technologicznych gigantów zaczęło ujawniać niektóre szczegóły swoich systemów. Teraz, kiedy mieliśmy przywilej zobaczenia niektórych drobniejszych szczegółów, które wchodzą w skład budowy systemów kwantowych, łatwiej jest zobaczyć, jak wyglądają niektóre główne komponenty komputera kwantowego, jak również jakie funkcje pełnią. Oprócz struktur używanych w procesorach qubitowych, komponenty komputerów kwantowych mają wiele podobieństw do swoich klasycznych odpowiedników.

W tej chwili najważniejsza część komputera kwantowego (procesor qubitowy) jest całkowicie niestandardowa, ale istnieje wiele innych podsystemów, które sprawiają, że komputer kwantowy działa. Projektanci PCB mogą odgrywać większą rolę, niż myślą, pomagając w komercjalizacji tych systemów. Nie zagłębiając się zbytnio w to, czym jest komputer kwantowy, postaram się najlepiej jak potrafię wyjaśnić role, jakie odgrywają różne komponenty komputera kwantowego.

Co sprawia, że komputer jest „kwantowy”?

Wszystkie komputery kwantowe używają bitów kwantowych, czyli qubitów, do przetwarzania informacji. Popularne wyjaśnienie komputera kwantowego polega na tym, że wykorzystuje fakt, iż qubit może istnieć jako superpozycja (lub kombinacja) stanów informacji, co jest interpretowane jako qubity w procesorze komputera kwantowego będące jednocześnie w jakiejś mieszance stanów 0 i 1. Alternatywny filozoficzny pogląd na mechanikę kwantową (lub interpretacja „Wielu Światów”) zakłada, że komputery kwantowe są maszynami działającymi równolegle, z kopiami komputera kwantowego wykonującymi wiele obliczeń równolegle w równoległych wszechświatach!

Cokolwiek fizycznie pomaga ci najlepiej zrozumieć zachowanie qubitów, same qubity to tylko połowa historii. Druga połowa polega na wykorzystaniu splątania, zjawiska, które wciąż zadziwia fizyków. Einstein opisał je jako „upiorną akcję na odległość”, ponieważ pozwala na zapisywanie qubitów w tym samym stanie kwantowym, nawet gdy są oddzielone bardzo dużymi odległościami. To porusza kwestie takie jak komunikacja szybsza niż światło i nawet doprowadziło do zastosowań takich jak kwantowy radar.

Co robi komputer kwantowy

Komputer kwantowy jest zaprojektowany do manipulowania i odczytywania qubitów, które mogą być splątane z innymi qubitami, lub które mogą być w jakiejś superpozycji 0 i 1. Opiera się to na wielu ważnych komponentach i podsystemach. Chociaż komputer kwantowy używa qubitów, wspierające podsystemy, które sprawiają, że działa on zgodnie z zamierzeniem, to wszystko klasyczne komponenty, aż po pasywne używane na płytach obwodów.

Oto co jest potrzebne, aby zapewnić prawidłowe działanie komputera kwantowego:

Izolacja od środowiska vs. Integracja

Procesor kwantowy i zawarte w nim kubity muszą być silnie izolowane od środowiska. Gdy kubit wchodzi w interakcję z otaczającym środowiskiem (poprzez absorpcję światła lub ciepła), obecny stan kubitu może zostać utracony, co prowadzi do błędu. Zapewnienie izolacji wiąże się z użyciem systemów wysokiej próżni oraz chłodzenia, aby zapobiec dekoherencji kubitu.

To tutaj potrzebne są różne komponenty i systemy, aby zapewnić izolację:

• Pompy próżniowe o bardzo wysokiej próżni

• Systemy chłodzenia rozcieńczeniowego

• Systemy termostatów niskotemperaturowych

• Osłony elektromagnetyczne

• Rury do ciekłego helu i ciekłego azotu jako czynnika chłodzącego

Kontrolowanie tych systemów wymaga klasycznego procesora do odczytu pomiarów próżni i temperatury oraz dokonywania regulacji mocy próżni i temperatury. Nie wymaga to ogromnej mocy obliczeniowej klasycznych komputerów. Typowy MPU lub FPGA zawiera wystarczającą moc obliczeniową, aby sterować tymi systemami i zapewnić izolację, jak również dostarczać dane do aplikacji działającej na klasycznym komputerze. Kontynuując oddalanie, można zauważyć, że wokół głównej kolumny komputera kwantowego mogą znajdować się urządzenia sieciowe i inne systemy, które pozwalają mu na interfejs z innymi systemami za pośrednictwem chmury. Wymóg izolacji był do niedawna mieczem obosiecznym dla wszystkiego.

Pod koniec lutego 2022 roku ogłoszono, że badacze z Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii (NIST) w USA zbudowali i przetestowali system, który pozwala komercyjnym komponentom na standardowych płytach obwodów działać w bliskim sąsiedztwie z urządzeniami ultrazimnymi używanymi w komputerach kwantowych. Wyzwaniem przy integracji na poziomie płyty obwodu jest ciepło generowane przez konwencjonalną elektronikę, które może powodować dekoherencję kubitu, niszcząc stan kwantowy i tworząc błąd. Jest to tylko jeden krok w kierunku integracji komponentów kwantowych i klasycznych na poziomie systemowym.

Kolejny niedawny postęp dotyczy integracji na poziomie chipa. Na początku lutego badacze z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) oraz Hitachi Cambridge Laboratory zaprojektowali zintegrowany obwód CMOS o wielkości 40 nm z kropkami kwantowymi krzemu oraz konwencjonalnymi obwodami odczytu multiplexowanymi w dziedzinie czasu na tym samym krzemie. Chociaż nie jest to procesor ogólnego przeznaczenia, wynik ilustruje możliwość budowania komponentów obliczeniowych kwantowych w skali za pomocą standardowego procesu CMOS.

Procesory Kwantowe

Głównym komponentem, który sprawia, że komputer kwantowy działa, jest procesor kwantowy. Istnieją różne rodzaje procesorów kwantowych (fotoniczne, spintroniczne, pułapki jonowe i inne), podobnie jak w przypadku procesorów klasycznych. Ostatnio wykazano, że procesory kwantowe oparte na pułapkach jonowych zapewniają większą izolację dla kubitów. Ponadto, oferują one większą moc obliczeniową przy niższej liczbie kubitów w porównaniu z innymi procesorami.

Od 28 marca 2022 roku można już kupić jednostkę przetwarzającą kwantowo (QPU) o mocy 25 kubitów od QuantWare, firmy wywodzącej się z Uniwersytetu w Delft w Holandii. Wcześniej firma wypuściła na rynek procesor 5-kubitowy w lipcu 2021 roku. QuantWare chce stać się jednym z czołowych producentów chipów, którzy rozwijają i produkują procesory kwantowe małej skali. Obecnie ich niestandardowe procesory kwantowe o mocy 25 kubitów mogą być dostarczane klientom w ciągu 30 dni. Logicznym jest, że następne na liście dostępnych produktów są kwantowe ASIC i kwantowe SoC.

Nowa oferta produktowa QuantWare nie jest jedynym kiedykolwiek stworzonym procesorem kwantowym, ale z pewnością jest pierwszym, który został udostępniony komercyjnie jako komponent „od ręki”. Do znaczących procesorów kwantowych z ostatnich czasów należą systemy ogłoszone przez takie firmy jak Intel, IBM, Honeywell, Uniwersytet Nauki i Technologii Chin oraz Rigetti. Ekosystem sprzętowy wspierający obliczenia kwantowe zaczyna szybko rosnąć, ale wymaga to znacznie więcej niż tylko procesory kwantowe.

Obwody Nadprzewodzące

Dane wejściowe i wyjściowe z procesora kwantowego muszą być przekazywane do systemu odczytu za pomocą obwodów wykonanych z materiałów nadprzewodzących. Te obwody interfejsu i odczytu muszą być schłodzone do temperatury ~10 mK. Dla porównania, temperatura tła wszechświata wynosi tylko ~3 K. Ostatecznie te obwody łączą się z powrotem z systemem odczytu (patrz poniżej), aby można było przechwycić dane.

Materiały nadprzewodzące (poza tlenkami miedzi poniżej ~35 K) nie są czymś, co można nabyć komercyjnie. Obwody nadprzewodzące używane w procesorach kwantowych i międzyłączach odczytu są obecnie produkowane na zamówienie, ale ostatecznie łączą się one z zestawem komponentów mikrofalowych. To tutaj projektanci RF i komponenty, których używają, stają się kluczowi.

Spójne Źródła/Detektory Mikrofalowe i Kable Koncentryczne

Nawet komputery kwantowe padły ofiarą niedoborów specjalistycznych komponentów. W niedawnym artykule MIT Technology Review, Martin Giles lamentował „Mielibyśmy więcej komputerów kwantowych, gdyby nie było tak trudno znaleźć te cholernie kable”. Chociaż potrzebne są pewne specjalistyczne nadprzewodzące kable do transferu danych, łączą się one z powrotem z zestawem klasycznych komponentów do odczytu danych.

Standardowe komponenty używane w front-endach RF mogą być używane na początku kolumny do generowania, wzmacniania i przechwytywania sygnałów odczytu, które następnie są konwertowane na klasyczne bity za pomocą przetworników ADC o wysokiej przepustowości i niskim szumie. To jest trochę uproszczone, ponieważ istnieje seria wzmacniaczy, filtrów i detektora używanych do kondycjonowania i przechwytywania sygnału odczytu. Chociaż postrzeganie kwantów jako superzaawansowanego zestawu technologii sprawia wrażenie, że potrzebne są zaawansowane komponenty RF, te systemy działają na umiarkowanych częstotliwościach mmWave. Na przykład jeden z systemów odczytu Intela działa tylko na 20 GHz, co mieści się w zakresie działania wielu systemów RF.

Wyzwania i możliwości

Standaryzacja

Obecnie wszystkie klasyczne elektroniki używane w systemach sterowania dla komputerów kwantowych są wykonane na zamówienie z dyskretnych komponentów. Integracja tych systemów pomoże w miniaturyzacji, tak jak miało to miejsce w przypadku klasycznych komputerów z biegiem czasu. Odpowiedzialność za to jest podzielona między producentów chipów, projektantów elektroniki i integratorów systemów kwantowych. Producentom chipów nieprędko uda się stanąć na wysokości zadania, co przerzuca ciężar na projektantów systemów do integracji systemów sterowania i odczytu.

Aby skomercjalizować te technologie i wprowadzić nowe produkty na rynek, muszą być one interoperacyjne z konwencjonalną elektroniką i wzajemnie ze sobą, co jest aktywnie realizowane. Sprawienie, aby komputery kwantowe były interoperacyjne, bardziej potężne (to dotyczy czegoś więcej niż tylko liczby qubitów) i miniaturyzowane, wymaga również przyjęcia podejścia modułowego, co będzie możliwe dzięki większej standaryzacji. Organizacje takie jak Quantum Economic Development Consortium (pełne ujawnienie: byłem członkiem ich komitetu rozwoju siły roboczej) koncentrują się na opracowywaniu tych standardów, aby wspomóc większą komercjalizację.

Większa standaryzacja komponentów pomoże większej liczbie projektantów zaangażować się w rozwijanie nowych systemów wspierających obliczenia kwantowe. W miarę jak więcej komponentów i systemów kwantowych staje się standaryzowanych i komercjalizowanych, będą one bardziej płynnie integrowane z większymi systemami elektronicznymi. Obecnie klasyczne komputery są używane do systemów sterowania i odczytu, jak również do łączenia komputerów kwantowych z chmurą.

Rzeczywisty wzrost rynku

Jeśli chodzi o wzrost rynku w ciągu najbliższych kilku lat, prognozy wielkości rynku wahają się od 830 milionów do 5 miliardów dolarów do 2024 roku, i jesteśmy już na dobrej drodze do osiągnięcia tego celu. Wall Street zaczęło zwracać uwagę, a niektóre znane nazwy komputerów kwantowych zostały wprowadzone na giełdę poprzez fuzje z SPAC wartymi miliardy dolarów w 2021 roku. Czy ta technologia jest przereklamowana, czy przyniesie kolejną falę masowej innowacji technologicznej, okaże się, ale projektanci prawdopodobnie zobaczą niektóre z pierwszych komercyjnie dostępnych systemów kwantowych i narzędzi do ich rozwoju bardzo wkrótce.

Gdy komponenty i systemy komputerów kwantowych stają się komercyjne, Octopart będzie tutaj, aby zapewnić projektantom funkcje zarządzania łańcuchem dostaw. Bez względu na to, jaki typ systemu lub podsystemu projektujesz, aby wspierać komputery kwantowe, wyszukiwarka Octopart zawiera zaawansowane funkcje filtracji, które pomogą Ci wybrać dokładnie te komponenty, których potrzebujesz. Zapoznaj się z naszą stroną układów scalonych, aby rozpocząć poszukiwania idealnych komponentów.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się na nasz newsletter.