Các thành phần của máy tính lượng tử sẽ trông như thế nào?

Created: Tháng Ba 29, 2022
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Tôi nhớ khoảng hơn một thập kỷ trước, khi còn là sinh viên đại học, tôi đã nghe nói về máy tính lượng tử trong các lớp vật lý cấp cao. Lúc bấy giờ, việc hiểu được những khái niệm cơ bản đã khó, việc giảng giải chúng càng khó hơn. Nhanh chóng chuyển tới ngày nay, máy tính lượng tử cuối cùng đã trở thành hiện thực, và nhiệm vụ giờ đây là mở rộng công nghệ. Nếu bạn là một nhà phát triển thuật toán lượng tử, bạn thậm chí có thể thuê thời gian trên một máy tính lượng tử qua đám mây và chạy các ứng dụng lượng tử của riêng mình.

Không nhiều người đã từng thấy bên trong một máy tính lượng tử cho đến có lẽ hai năm trở lại đây, khi nhiều gã khổng lồ công nghệ bắt đầu công bố một số chi tiết về hệ thống của họ. Giờ đây, khi chúng ta đã có đặc ân nhìn thấy một số chi tiết tinh tế đi vào xây dựng các hệ thống lượng tử, việc nhìn nhận những thành phần chính của một máy tính lượng tử trở nên dễ dàng hơn, cũng như hiểu được chúng thực hiện những chức năng gì. Ngoài các cấu trúc được sử dụng trong bộ xử lý qubit, các thành phần của máy tính lượng tử có nhiều điểm tương đồng với các đối tác cổ điển của chúng.

Hiện tại, phần quan trọng nhất của một máy tính lượng tử (bộ xử lý qubit) hoàn toàn được tùy chỉnh, nhưng có một loạt các hệ thống phụ khác giúp máy tính lượng tử hoạt động. Các nhà thiết kế PCB có thể đóng vai trò lớn hơn họ nghĩ trong việc giúp thương mại hóa những hệ thống này. Không đi sâu vào việc máy tính lượng tử là gì, tôi sẽ cố gắng giải thích những vai trò do các thành phần máy tính lượng tử khác nhau đóng.

Máy Tính “Lượng Tử” Là Gì?

Tất cả máy tính lượng tử sử dụng qubit, hoặc bit lượng tử, để xử lý thông tin. Giải thích phổ biến cho một máy tính lượng tử là nó tận dụng thực tế là một qubit có thể tồn tại như một trạng thái chồng chất (hoặc kết hợp) của các trạng thái thông tin, được hiểu là các qubit trong bộ xử lý của máy tính lượng tử đang ở một số trạng thái kết hợp của 0 và 1 đồng thời. Quan điểm triết học thay thế về cơ học lượng tử (hoặc “Giải thích Thế giới Đa dạng”) cho rằng máy tính lượng tử là máy móc song song hóa vốn có, với các bản sao của một máy tính lượng tử thực hiện nhiều tính toán song song trong các vũ trụ song song!

Dù bức tranh vật lý nào giúp bạn hiểu tốt nhất về hành vi của qubit, chính qubit chỉ là một nửa câu chuyện. Nửa còn lại dựa vào việc sử dụng sự đan xen, một hiện tượng vẫn làm các nhà vật lý bối rối. Einstein mô tả nó là “hành động ma quái từ xa” khi nó cho phép qubit được viết vào cùng một trạng thái lượng tử, ngay cả khi chúng được tách ra bởi những khoảng cách rất xa. Điều này đưa ra những vấn đề như giao tiếp nhanh hơn ánh sáng và thậm chí đã tạo ra ứng dụng như radar lượng tử.

Máy Tính Lượng Tử Làm Gì

Một máy tính lượng tử được thiết kế để thao tác và đọc qubit, có thể được đan xen với các qubit khác, hoặc có thể ở trong một số trạng thái chồng chất của 0 và 1. Điều này dựa vào một số thành phần và hệ thống phụ quan trọng. Mặc dù máy tính lượng tử sử dụng qubit, các hệ thống phụ hỗ trợ làm cho nó hoạt động như thiết kế đều là các thành phần cổ điển, ngay cả đến các linh kiện bị động được sử dụng trong bảng mạch.

Đây là những gì cần thiết để đảm bảo một máy tính lượng tử hoạt động như thiết kế:

Cô lập khỏi Môi trường vs. Tích hợp

Bộ xử lý lượng tử, và các qubit mà nó chứa, phải được cô lập nghiêm ngặt khỏi môi trường xung quanh. Khi một qubit tương tác với môi trường xung quanh (thông qua việc hấp thụ ánh sáng hoặc nhiệt), trạng thái hiện tại của qubit có thể bị mất, tạo ra lỗi. Đảm bảo cô lập bao gồm việc sử dụng hệ thống chân không cao và lạnh để ngăn chặn qubit trải qua sự mất liên kết.

Đây là nơi mà một số thành phần và hệ thống cần thiết để đảm bảo cô lập:

  • Máy bơm chân không cực cao

  • Hệ thống lạnh pha loãng

  • Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ thấp

  • Bảo vệ chống từ trường

  • Ống dẫn cho chất lạnh heli lỏng và nitơ lỏng

Điều khiển các hệ thống này đòi hỏi một bộ xử lý cổ điển để đọc các phép đo chân không và nhiệt độ và điều chỉnh công suất chân không và nhiệt độ. Điều này không đòi hỏi sức mạnh tính toán cổ điển khổng lồ. Một MPU tiêu biểu hoặc FPGA chứa đủ sức mạnh xử lý để vận hành các hệ thống kiểm soát và đảm bảo cô lập, cũng như để chuyển dữ liệu cho một ứng dụng chạy trên máy tính cổ điển. Tiếp tục phóng to ra, và có thể có thiết bị mạng và các hệ thống khác xung quanh cột chính trong một máy tính lượng tử cho phép nó giao tiếp với các hệ thống khác qua đám mây. Yêu cầu cô lập đã là một con dao hai lưỡi cho tất cả những điều này cho đến gần đây.

Vào cuối tháng Hai năm 2022, đã được thông báo rằng các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã xây dựng và thử nghiệm một hệ thống cho phép các thành phần thương mại trên các bảng mạch tiêu chuẩn hoạt động gần với các thiết bị siêu lạnh được sử dụng trong máy tính lượng tử. Thách thức với việc tích hợp ở cấp độ bảng mạch là nhiệt độ do điện tử thông thường tạo ra có thể khiến một qubit trải qua sự mất liên kết, phá hủy trạng thái lượng tử và tạo ra lỗi. Đây chỉ là một bước tiến hướng tới việc tích hợp các thành phần lượng tử và cổ điển ở cấp độ hệ thống.

Một tiến bộ gần đây khác liên quan đến việc tích hợp ở cấp độ chip. Vào đầu tháng Hai, các nhà nghiên cứu tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) và Phòng thí nghiệm Cambridge của Hitachi đã thiết kế một mạch tích hợp CMOS 40 nm với các chấm lượng tử silicon và các mạch đọc đa kênh theo thời gian trên cùng một điều. Mặc dù không phải là một bộ xử lý đa năng, kết quả minh họa khả năng xây dựng các thành phần máy tính lượng tử quy mô lớn với quy trình CMOS tiêu chuẩn.

Bộ Xử Lý Lượng Tử

Thành phần chính tạo nên một máy tính lượng tử là bộ xử lý lượng tử. Có nhiều loại bộ xử lý lượng tử khác nhau (photon, spintronic, bẫy ion, và các loại khác), giống như bộ xử lý cổ điển. Gần đây nhất, bộ xử lý lượng tử bẫy ion đã được chứng minh là cung cấp sự cô lập tốt hơn cho các qubit. Ngoài ra, chúng cung cấp khả năng tính toán mạnh mẽ hơn với số lượng qubit thấp hơn so với các bộ xử lý khác.

Tính đến ngày 28 tháng 3 năm 2022, bạn có thể mua một đơn vị xử lý lượng tử 25 qubit từ QuantWare, một công ty được thành lập từ Đại học Delft ở Hà Lan. Trước đó, công ty đã phát hành một bộ xử lý 5 qubit có sẵn trên thị trường vào tháng 7 năm 2021. QuantWare muốn trở thành một trong những nhà sản xuất chip hàng đầu phát triển và sản xuất bộ xử lý lượng tử quy mô nhỏ. Hiện tại, bộ xử lý lượng tử 25 qubit tùy chỉnh của họ có thể được giao cho khách hàng trong 30 ngày. Điều này một cách logic dẫn đến việc ASIC lượng tử và SoC lượng tử là những sản phẩm tiếp theo có sẵn trên thị trường.

Mặc dù sản phẩm mới của QuantWare không phải là bộ xử lý lượng tử duy nhất từng được tạo ra, nhưng chắc chắn là cái đầu tiên được bán ra như một thành phần có sẵn trên thị trường. Một số bộ xử lý lượng tử đáng chú ý từ thời gian gần đây bao gồm các hệ thống được công bố bởi Intel, IBM, Honeywell, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, và Rigetti. Hệ sinh thái phần cứng để hỗ trợ tính toán lượng tử đang bắt đầu phát triển nhanh chóng, nhưng nó đòi hỏi nhiều hơn là bộ xử lý lượng tử.

Mạch Siêu Dẫn

Dữ liệu đầu vào và đầu ra từ một bộ xử lý lượng tử phải được truyền lại cho hệ thống đọc dữ liệu sử dụng mạch làm từ vật liệu siêu dẫn. Các mạch giao diện và đọc dữ liệu này phải được làm lạnh xuống nhiệt độ khoảng ~10 mK. Chỉ để so sánh, nhiệt độ nền của vũ trụ chỉ khoảng ~3 K. Cuối cùng, các mạch này kết nối trở lại với hệ thống đọc dữ liệu (xem bên dưới) để có thể thu thập dữ liệu.

Vật liệu siêu dẫn (ngoại trừ oxit đồng ở nhiệt độ dưới ~35 K) không phải là thứ có thể mua được trên thị trường. Mạch siêu dẫn được sử dụng trong bộ xử lý lượng tử và kết nối đọc dữ liệu hiện nay được làm theo đơn đặt hàng, nhưng cuối cùng chúng sẽ kết nối với một bộ phận các thành phần sóng vi ba. Đây là nơi mà các nhà thiết kế RF và các thành phần họ sử dụng trở nên quan trọng.

Nguồn Sóng Vi Ba/Tiếp Biến và Cáp Đồng Trục

Ngay cả máy tính lượng tử cũng đã trở thành nạn nhân của tình trạng thiếu hụt các thành phần chuyên biệt. Trong một bài viết gần đây của MIT Technology Review, Martin Giles đã than phiền "Chúng ta sẽ có nhiều máy tính lượng tử hơn nếu việc tìm cáp địa ngục không quá khó khăn." Mặc dù một số cáp siêu dẫn chuyên biệt là cần thiết để truyền dữ liệu, chúng kết nối trở lại với một bộ các thành phần cổ điển để đọc dữ liệu.

Các linh kiện tiêu chuẩn được sử dụng trong RF front-ends có thể được sử dụng ở đầu cột để nguồn, khuếch đại và thu tín hiệu đọc, sau đó được chuyển đổi thành bit cổ điển với ADC có băng thông cao/ tiếng ồn thấp. Điều này hơi đơn giản vì có một loạt các bộ khuếch đại, bộ lọc và một bộ phát hiện được sử dụng để điều kiện và thu tín hiệu đọc. Mặc dù quan niệm về quantum như một bộ công nghệ tiên tiến tạo ra ấn tượng rằng cần có các linh kiện RF tiên tiến, nhưng những hệ thống này hoạt động ở tần số mmWave vừa phải. Ví dụ, một trong những hệ thống đọc của Intel chỉ hoạt động ở 20 GHz, nằm trong phạm vi hoạt động thoải mái của nhiều hệ thống RF.

Thách thức và Cơ hội

Chuẩn hóa

Hiện tại, tất cả các điện tử cổ điển được sử dụng trong hệ thống điều khiển cho máy tính lượng tử đều được làm riêng từ các linh kiện rời rạc. Việc tích hợp các hệ thống này sẽ hỗ trợ thu nhỏ, giống như đã xảy ra với máy tính cổ điển theo thời gian. Trách nhiệm cho điều này được chia sẻ giữa các nhà sản xuất chip, nhà thiết kế điện tử và nhà tích hợp hệ thống lượng tử. Các nhà sản xuất chip có khả năng không sẵn lòng tham gia ngay lập tức, đặt gánh nặng lên nhà thiết kế hệ thống để tích hợp hệ thống điều khiển và đọc.

Để thương mại hóa những công nghệ này và đưa sản phẩm mới ra thị trường, chúng phải tương thích với điện tử thông thường và lẫn nhau, điều này đang được theo đuổi tích cực. Làm cho máy tính lượng tử tương thích, mạnh mẽ hơn (điều này không chỉ là về số lượng qubit), và thu nhỏ cũng đòi hỏi áp dụng cách tiếp cận mô-đun, điều này sẽ được kích hoạt bởi sự chuẩn hóa lớn hơn. Các tổ chức như Quantum Economic Development Consortium (tiết lộ đầy đủ: Tôi là thành viên cũ của ủy ban phát triển lực lượng lao động của họ) đang tập trung phát triển những tiêu chuẩn này để hỗ trợ thương mại hóa lớn hơn.

Chuẩn hóa linh kiện lớn hơn sẽ giúp nhiều nhà thiết kế tham gia vào việc phát triển hệ thống mới để hỗ trợ máy tính lượng tử. Khi nhiều linh kiện và hệ thống lượng tử trở nên chuẩn hóa và thương mại hóa, chúng sẽ được tích hợp một cách liền mạch với các hệ thống điện tử lớn hơn. Hiện tại, máy tính cổ điển được sử dụng cho hệ thống điều khiển và đọc, cũng như để kết nối máy tính lượng tử với đám mây.

Tăng trưởng Thị trường Thực tế

Về tăng trưởng thị trường trong những năm tới, dự báo về quy mô thị trường dao động từ 830 triệu đến 5 tỷ đô la vào năm 2024, và chúng ta đang trên đường đạt được mục tiêu đó. Phố Wall đã bắt đầu chú ý, và một số tên tuổi lớn về máy tính lượng tử đã được đưa ra công chúng thông qua các sáp nhập SPAC trị giá hàng tỷ đô la vào năm 2021. Liệu công nghệ này có bị thổi phồng quá mức hay sẽ mang lại làn sóng đổi mới công nghệ lớn tiếp theo hay không vẫn còn phải chờ xem, nhưng các nhà thiết kế có khả năng sẽ thấy một số hệ thống lượng tử đầu tiên có sẵn trên thị trường và công cụ phát triển rất sớm.

Khi các thành phần và hệ thống máy tính lượng tử được thương mại hóa, Octopart sẽ ở đây để cung cấp các tính năng quản lý chuỗi cung ứng cho các nhà thiết kế. Không quan trọng bạn đang thiết kế loại hệ thống hay hệ thống phụ trợ nào để hỗ trợ máy tính lượng tử, công cụ tìm kiếm của Octopart bao gồm các tính năng lọc tiên tiến để giúp bạn chọn chính xác các thành phần bạn cần. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để bắt đầu tìm kiếm các thành phần lý tưởng của bạn.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.

 

 

 

 

 

 

Related Resources

Back to Home
Thank you, you are now subscribed to updates.