Какими будут компоненты квантового компьютера?

Я помню, как более десяти лет назад, будучи студентом, слышал о квантовых компьютерах на продвинутых курсах по физике. В то время мне было достаточно сложно понять основные концепции, а профессору - объяснить их. Перемотаем время вперед, и в наши дни квантовые компьютеры наконец стали реальностью, а задача теперь заключается в масштабировании технологии. Если вы разработчик квантовых алгоритмов, вы даже можете арендовать время на квантовом компьютере через облако и запускать свои собственные квантовые приложения.

Немногие люди видели внутренности квантового компьютера, возможно, до последних двух лет, когда многие технологические гиганты начали публиковать некоторые детали своих систем. Теперь, когда нам довелось увидеть некоторые тонкие детали, которые используются при построении квантовых систем, становится легче понять, как выглядят некоторые основные компоненты квантового компьютера, а также какие функции они выполняют. Помимо структур, используемых в процессорах кубитов, компоненты квантового компьютера имеют много общего с их классическими аналогами.

На данный момент самая важная часть квантового компьютера (процессор кубитов) является полностью на заказ, но существует множество других подсистем, которые заставляют квантовый компьютер работать. Разработчики печатных плат могут играть более важную роль, чем они думают, в коммерциализации этих систем. Не углубляясь в то, что такое квантовый компьютер, я постараюсь объяснить роли, которые играют различные компоненты квантового компьютера.

Что делает компьютер "квантовым"?

Все квантовые компьютеры используют квантовые биты, или кубиты, для обработки информации. Популярное объяснение квантового компьютера заключается в том, что он использует факт того, что кубит может существовать как суперпозиция (или комбинация) состояний информации, что интерпретируется как нахождение процессора квантового компьютера в некотором сочетании состояний 0 и 1 одновременно. Альтернативная философская точка зрения на квантовую механику (или интерпретация "Многих миров") утверждает, что квантовые компьютеры являются по сути параллельными машинами, с копиями квантового компьютера, выполняющими множество вычислений параллельно в параллельных вселенных!

Какой бы физический образ ни помог вам лучше понять поведение кубитов, сами кубиты - это только половина истории. Вторая половина зависит от использования запутанности, явление которой до сих пор озадачивает физиков. Эйнштейн описал это как "жуткое действие на расстоянии", поскольку это позволяет кубитам быть записанными в одно и то же квантовое состояние, даже когда они разделены очень большими расстояниями. Это порождает такие вещи, как сверхсветовая коммуникация и даже породило приложения, такие как квантовый радар.

Что делает квантовый компьютер

Квантовый компьютер предназначен для манипулирования и считывания кубитов, которые могут быть запутаны с другими кубитами или которые могут находиться в некоторой суперпозиции состояний 0 и 1. Это зависит от ряда важных компонентов и подсистем. Хотя квантовый компьютер использует кубиты, поддерживающие подсистемы, которые заставляют его работать как задумано, являются всеми классическими компонентами, вплоть до пассивных элементов, используемых на печатных платах.

Вот что необходимо для обеспечения работы квантового компьютера в соответствии с дизайном:

Изоляция от окружающей среды против интеграции

Квантовый процессор и содержащиеся в нем кубиты должны быть тщательно изолированы от окружающей среды. Когда кубит взаимодействует с окружающей средой (путем поглощения света или тепла), текущее состояние кубита может быть потеряно, что создает ошибку. Обеспечение изоляции включает использование систем высокого вакуума и охлаждения для предотвращения декогеренции кубита.

Вот где необходимо множество компонентов и систем для обеспечения изоляции:

• Ультравысоковакуумные насосы

• Системы разбавленного охлаждения

• Системы термостатирования при низких температурах

• Электромагнитное экранирование

• Трубопроводы для жидкого гелия и жидкого азота

Управление этими системами требует классического процессора для считывания измерений вакуума и температуры и корректировки мощности вакуума и температуры. Для этого не требуется огромная вычислительная мощность классических компьютеров. Типичный MPU или FPGA содержит достаточно вычислительной мощности для управления этими системами и обеспечения изоляции, а также для передачи данных приложению, работающему на классическом компьютере. Продолжая увеличивать масштаб, можно увидеть, что вокруг основной колонны квантового компьютера могут быть сетевое оборудование и другие системы, позволяющие ему взаимодействовать с другими системами через облако. Требование изоляции было двухлезвийным мечом для всего этого до недавнего времени.

В конце февраля 2022 года было объявлено, что исследователи из Национального института стандартов и технологий США (NIST) сконструировали и протестировали систему, позволяющую коммерческим компонентам на стандартных печатных платах работать в непосредственной близости с ультрахолодными устройствами, используемыми в квантовых компьютерах. Проблема интеграции на уровне печатных плат заключается в том, что тепло, выделяемое традиционной электроникой, может вызвать декогеренцию кубита, что разрушает квантовое состояние и создает ошибку. Это лишь один шаг к интеграции квантовых и классических компонентов на системном уровне.

Другой недавний прогресс связан с интеграцией на уровне чипа. В начале февраля исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и лаборатории Hitachi Cambridge разработали 40-нм интегральную схему CMOS с квантовыми точками на кремнии и традиционными схемами временного мультиплексированного считывания на одном кристалле. Хотя это и не универсальный процессор, результат иллюстрирует возможность создания компонентов квантовых вычислений в масштабах с использованием стандартного процесса CMOS.

Квантовые Процессоры

Основным компонентом, благодаря которому работает квантовый компьютер, является квантовый процессор. Существуют различные типы квантовых процессоров (фотонные, спинтронные, на основе ионных ловушек и другие), как и классические процессоры. Недавно было показано, что процессоры на основе ионных ловушек обеспечивают лучшую изоляцию для кубитов. Кроме того, они обеспечивают большую вычислительную мощность при меньшем количестве кубитов по сравнению с другими процессорами.

По состоянию на 28 марта 2022 года, теперь вы можете приобрести квантовый процессор на 25 кубитов от компании QuantWare, которая была выделена из Университета Делфта в Нидерландах. Ранее компания выпустила процессор на 5 кубитов в июле 2021 года. QuantWare стремится стать одним из ведущих производителей чипов, разрабатывающих и производящих квантовые процессоры малого масштаба. В настоящее время их настраиваемые квантовые процессоры на 25 кубитов могут быть доставлены клиентам за 30 дней. Логично предположить, что квантовые ASIC и квантовые SoC будут следующими в списке доступных продуктов.

Хотя новое предложение продукта от QuantWare не является единственным квантовым процессором, который когда-либо был создан, он определенно является первым, который стал коммерчески доступен как компонент «с полки». Некоторые из заметных квантовых процессоров последнего времени включают системы, анонсированные такими компаниями, как Intel, IBM, Honeywell, Университет науки и технологий Китая и Rigetti. Экосистема аппаратного обеспечения для поддержки квантовых вычислений начинает быстро расти, но требует гораздо большего, чем просто квантовые процессоры.

Сверхпроводящие Цепи

Данные на входе и выходе из квантового процессора должны передаваться обратно в систему считывания с использованием цепей, изготовленных из сверхпроводящих материалов. Эти интерфейсные и считывающие цепи должны охлаждаться до температур около ~10 мК. Для сравнения, фоновая температура Вселенной составляет всего ~3 К. В конечном итоге, эти цепи подключаются обратно к системе считывания (см. ниже), чтобы данные могли быть захвачены.

Сверхпроводящие материалы (за исключением оксидов меди при температуре менее ~35 К) не являются тем, что можно было бы приобрести в коммерческом доступе. Сверхпроводящая схемотехника, используемая в квантовых процессорах и соединениях считывания, в настоящее время изготавливается на заказ, но в конечном итоге они соединяются с набором микроволновых компонентов. Вот где становятся критически важными RF-дизайнеры и компоненты, которые они используют.

Когерентные Микроволновые Источники/Детекторы и Коаксиальные Кабели

Даже квантовые компьютеры столкнулись с дефицитом специализированных компонентов. В недавней статье MIT Technology Review, Мартин Джайлс выразил сожаление: «У нас было бы больше квантовых компьютеров, если бы не было так сложно найти эти чертовы кабели». Хотя для передачи данных необходимы некоторые специализированные сверхпроводящие кабели, они подключаются к набору классических компонентов для считывания данных.

Стандартные компоненты, используемые во фронтендах РЧ, могут использоваться в верхней части колонны для генерации, усиления и захвата сигналов считывания, которые затем преобразуются в классические биты с АЦП высокой пропускной способности/низкого уровня шума. Это упрощенное описание, поскольку на самом деле используется серия усилителей, фильтров и детектор для кондиционирования и захвата сигнала считывания. Хотя восприятие квантовых технологий как сверхпродвинутого набора технологий создает впечатление, что необходимы продвинутые РЧ компоненты, эти системы работают на умеренных частотах миллиметрового диапазона. Например, одна из систем считывания Intel работает всего на 20 ГГц, что уверенно находится в рабочем диапазоне многих РЧ систем.

Вызовы и возможности

Стандартизация

В настоящее время все классические электронные компоненты, используемые в системах управления квантовыми компьютерами, изготавливаются на заказ из дискретных компонентов. Интеграция этих систем будет способствовать миниатюризации, как это произошло со временем в классических компьютерах. Ответственность за это разделена между производителями чипов, разработчиками электроники и интеграторами квантовых систем. Производители чипов вряд ли в ближайшее время возьмут на себя эту задачу, перекладывая ответственность на дизайнеров систем для интеграции систем управления и считывания.

Для коммерциализации этих технологий и вывода новых продуктов на рынок они должны быть совместимы с традиционной электроникой и друг с другом, что активно преследуется. Для того чтобы сделать квантовые компьютеры совместимыми, более мощными (речь идет не только о количестве кубитов) и миниатюризированными, также требуется применение модульного подхода, что будет возможно благодаря большей стандартизации. Организации, такие как Консорциум по экономическому развитию квантовых технологий (полное раскрытие: я являюсь бывшим членом их комитета по развитию рабочей силы), сосредотачиваются на разработке этих стандартов для способствования большей коммерциализации.

Большая стандартизация компонентов поможет большему количеству дизайнеров принять участие в разработке новых систем для поддержки квантовых вычислений. По мере того, как больше квантовых компонентов и систем становятся стандартизированными и коммерциализированными, они будут более бесшовно интегрироваться с крупными электронными системами. В настоящее время классические компьютеры используются для систем управления и считывания, а также для подключения квантовых компьютеров к облаку.

Реальный рост рынка

Что касается роста рынка в ближайшие несколько лет, прогнозы размера рынка варьируются от 830 миллионов до 5 миллиардов долларов к 2024 году, и мы уже на пути к достижению этой цели. Уолл-стрит начал обращать внимание, и некоторые известные имена в области квантовых вычислений были выведены на публику через слияния с SPAC на миллиарды долларов в 2021 году. Остается ли эта технология переоцененной или принесет следующую волну массовых технологических инноваций, пока не ясно, но дизайнеры, вероятно, увидят некоторые из первых коммерчески доступных квантовых систем и инструментов разработки очень скоро.

По мере коммерциализации компонентов и систем квантовых компьютеров, Octopart будет поддерживать дизайнеров функциями управления цепочками поставок. Независимо от того, какую систему или подсистему вы разрабатываете для поддержки квантовых компьютеров, поисковая система Octopart включает продвинутые функции фильтрации, чтобы помочь вам выбрать именно те компоненты, которые вам нужны. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы начать поиск идеальных компонентов.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.