เส้นทางใหม่ของ Intel สู่คอมพิวเตอร์ควอนตัม
แม้จะเริ่มต้นค่อนข้างช้า แต่ Intel ก็มีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วตลอดเส้นทางสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประโยชน์ Jim Clarke ผู้อำนวยการด้านฮาร์ดแวร์ควอนตัมของบริษัท เดินทางมาที่สำนักงานของIEEE Spectrumเมื่อวันที่ 9 พฤษภาคมเพื่อพิสูจน์ เขานำตัวอย่างเทคโนโลยีสองอย่างมาด้วย ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเหตุใดโรงไฟฟ้าที่ผลิตชิปจึงมีส่วนช่วยในการแสวงหาการประมวลผลที่เร็วขึ้นแบบทวีคูณ อย่างแรกคือTangle Lake ซึ่งเป็นชิปบรรจุพิเศษที่มี qubits ตัวนำยิ่งยวด 49 ตัวที่Brian Krzanichซีอีโอของ Intel, จัดแสดงที่ CES ในเดือนมกราคม อีกสิ่งหนึ่งคือสิ่งใหม่: เวเฟอร์ซิลิคอนเต็มรูปแบบของชิปทดสอบซึ่งแต่ละอันประกอบด้วย 26-qubits ที่อาศัยการหมุนของอิเล็กตรอนแต่ละตัว เวเฟอร์ชิ้นแรกมาถึงที่ Delft University of Technology ในเนเธอร์แลนด์ในวันนั้นเพื่อทำการทดสอบ กลุ่มของ Clarke สามารถทำเวเฟอร์ดังกล่าวได้ 5 ชิ้นต่อสัปดาห์ ซึ่งหมายความว่าขณะนี้ Intel อาจสร้าง “อุปกรณ์ qubit มากกว่าที่เคยทำในโลกของการคำนวณควอนตัม”
IEEE Spectrum:มีอะไรพิเศษเกี่ยวกับ Tangle Lake
จิม คลาร์ก: ฉันไม่สามารถขีดเส้นใต้ได้เลย สำหรับระบบเหล่านี้ บรรจุภัณฑ์มีความสำคัญเพียงใด โดยปกติ เราจะทำให้คอมพิวเตอร์ทำงานที่อุณหภูมิห้อง ในกระเป๋าหลัง หรือบนข้อมือของเรา หรืออุณหภูมิที่สูงขึ้นเล็กน้อย แต่ไม่เคยอยู่ที่เศษเสี้ยวขององศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ [ตามที่คุณต้องการสำหรับ qubits ตัวนำยิ่งยวด] ดังนั้นคนเหล่านี้จึงพัฒนาแพ็คเกจที่สามารถทนต่ออุณหภูมิทางกลไกและยังคงค่อนข้างสะอาดจากมุมมองของสัญญาณ
IEEE Spectrum:มีการจำกัดความหนาแน่นของ qubits โดยใช้เทคโนโลยีใน Tangle Lake หรือไม่ pinouts เหล่านั้นดูค่อนข้างใหญ่
คลาร์ก:ฉันคิดว่านี่เป็นสิ่งที่แนบมากับชิปต่อ [แผงวงจรพิมพ์] ที่ใหญ่ที่สุดที่ Intel เคยทำมา ดังนั้นหากใหญ่กว่านี้ในชิ้นเดียว ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและการหดตัวจะรุนแรง ไม่เพียงเท่านั้น อย่างที่คุณเห็น ตัวเชื่อมต่อจริงมีขนาดใหญ่มาก และสิ่งเหล่านี้มีความสำคัญในตอนนี้
เราสามารถทำให้มันใหญ่ขึ้น (มากขึ้น qubits ต่อชิป) ด้วยเทคโนโลยีนี้ แต่ไม่มาก สิ่งที่เราจะทำคือทำให้ qubits เล็กลงและการเชื่อมต่อเล็กลง ดังนั้น ภายในขนาดเท่าเดิม เราอาจเพิ่มจำนวน qubits ได้หลายปัจจัย แต่มันยากที่จะเข้าถึงสถานที่ที่มีเทคโนโลยีนั้น ซึ่งคุณจะมีคิวบิตเป็นล้านๆ คิวบิต ซึ่งคุณจะต้องทำบางสิ่งที่เปลี่ยนแปลงชีวิตจริงๆ
IEEE Spectrum:แล้วคุณจะไปถึง qubits นับล้านได้อย่างไร
คลาร์ก:ฉันมองเห็นเส้นทางของเทคโนโลยีนี้ถึง 1,000 คน ยิ่งไปกว่านั้น ฉันคิดว่าคุณต้องมีความคิดสร้างสรรค์ นั่นเป็นเหตุผลหนึ่งที่เรากำลังพัฒนาเทคโนโลยี qubit หลายตัว เมื่อเราพูดถึงในฤดูใบไม้ร่วงนี้เราได้พูดคุยเกือบเฉพาะ เกี่ยวกับ ชิปยิ่งยวด แต่จริงๆ แล้ว เรากำลังพัฒนาสองเทคโนโลยี อยู่ไกลออกไปอีกหน่อย นั่นคือตัวนำยิ่งยวด พวกเขาแต่ละคนมีข้อดีและข้อเสีย ตัวอย่างเช่น ขนาดของคิวบิตในประเภทอื่นที่เรียกว่าซิลิกอนสปินคิวบิตนั้นเล็กกว่าล้านเท่า นั่นจะเป็นประโยชน์อย่างหนึ่งที่เป็นไปได้
IEEE Spectrum:ซิลิกอนสปิน qubit ทำงานอย่างไร
คลาร์ก:ลองนึกถึงทรานซิสเตอร์ธรรมดาที่มีกระแสไหลผ่านสม่ำเสมอ สิ่งที่เรามีคืออิเล็กตรอนตัวเดียวที่ติดอยู่ในทรานซิสเตอร์ อิเล็กตรอนตัวเดียวนั้นสามารถมีสถานะใดสถานะหนึ่ง: หมุนขึ้นหรือหมุนลง นั่นคือสองสถานะของ qubit สิ่งที่เรากำลังทำอยู่คือการสร้างชุดของทรานซิสเตอร์แบบอิเล็กตรอนเดี่ยวและเชื่อมต่อเข้าด้วยกันโดยใช้เทคโนโลยีกระบวนการทรานซิสเตอร์ขั้นสูงของเรา
ปรัชญาของเราเกี่ยวกับเทคโนโลยีนี้คือโดยการใช้เทคโนโลยีการประมวลผลที่ดีที่สุดของ Intel สำหรับทรานซิสเตอร์ เราน่าจะสามารถสร้าง qubit สปินที่ดีที่สุดได้ นั่นเป็นเหตุผลหนึ่งที่เรากำลังศึกษาประเภทนี้
IEEE Spectrum:แล้วเวเฟอร์ตัวนี้มีกี่ qubits?
คลาร์ก:เช่นเดียวกับเวเฟอร์ทั่วไป คุณหั่นเป็นชิ้นเล็กๆ ชิปแต่ละตัวมี 3, 7, 11 หรือ 26 qubits เมื่อเราสร้างแผ่นเวเฟอร์แบบนั้น จะมีอาร์เรย์ย่อยเล็กๆ เหล่านี้นับพันรายการ ดังนั้นจึงค่อนข้างเป็นไปได้ที่ด้วยเวเฟอร์นี้ เราจะสร้างคิวบิตอาร์เรย์มากกว่าที่เคยทำในมหาวิทยาลัยมาก่อน
IEEE Spectrum: spin-qubit ทำงานได้ไกลแค่ไหนเมื่อเทียบกับ superonducting qubit?
คลาร์ก:หากชุมชน qubit ตัวนำยิ่งยวด [สร้างชิปด้วย] ระหว่าง 10 ถึง 50 qubits ชุมชนสปินอยู่ในลำดับเพียงไม่กี่ qubits มีอายุน้อยกว่าหลายปี สิ่งที่ขาดหายไปในพื้นที่นั้นคือการควบคุมกระบวนการของบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่อย่าง Intel นั่นคือสิ่งที่เรากำลังนำมาที่โต๊ะ
สิ่งที่เรากำลังทำในระยะเวลาอันใกล้นี้กับชิปสปิน-คิวบิตเหล่านั้น คือการพยายามเปลี่ยนพวกมันให้เป็นคิวบิต ตอนนี้พวกมันเป็นอาร์เรย์เชิงเส้นของสิ่งที่เราเรียกว่าจุดควอนตัม เรากำลังพยายามพิสูจน์ฟิสิกส์ของอุปกรณ์ขนาดใหญ่โดยพื้นฐาน
ตรงกันข้ามกับ qubits ตัวนำยิ่งยวด: ในขณะที่ qubits ตัวนำยิ่งยวด เรายังคงพยายามทำให้มันดีขึ้น พวกเขาอยู่ในขั้นตอนที่เราสามารถเริ่มรวมเข้ากับระบบได้ ด้วยตัวประมวลผลควอนตัมขนาด Tangle Lake มันใหญ่พอที่เราจะเริ่มสร้างส่วนประกอบทั้งหมดที่อยู่รอบ ๆ ตัวมันได้ เรากำลังพัฒนา [สถาปัตยกรรม Intel] เวอร์ชันควอนตัมเพื่อให้เข้ากับ Tangle Lake ในบางจุด เราหวังว่าจะสามารถสลับประเภท qubit อื่นเป็นโครงสร้างโดยรวมได้โดยทั่วไป
เรากำลังพยายามสร้างระบบควอนตัมที่สามารถขยายได้ มันสามารถดำเนินต่อไปได้ [โดยไม่สะดุด] ไม่ว่าจะเป็น 50 คิวบิต หรือ 1 ล้านคิวบิต เราต้องการทำให้มันเป็นเช่นนั้น ถ้าพรุ่งนี้ฉันแสดง qubit ชนิดใหม่ พวกเขาจะไม่ต้องทำระบบใหม่
IEEE Spectrum:ดังนั้นจะไม่มีความแตกต่างในแอปพลิเคชันที่คุณต้องการสร้างจากเทคโนโลยี qubit แต่ละอันใช่หรือไม่
คลาร์ก:เราหวังว่าจะไม่ อย่างมีประสิทธิภาพ สิ่งที่เราทำคือป้องกันความเสี่ยงการเดิมพันของเราโดยใช้สองเทคโนโลยี เมื่อเราบรรลุหลักเป้าหมายบางอย่างที่เรามี เช่น การทำงานแบบหลายบิตหรือการแก้ไขข้อผิดพลาด เราก็มักจะใช้เทคโนโลยีเดียว
IEEE Spectrum: ณ จุดนี้จะมีการพัฒนาซอฟต์แวร์หรือไม่?
คลาร์ก:เรามีเครื่องจำลองมาหลายปีแล้ว เรียกว่า Intel Quantum Simulator ปีที่แล้วเราใส่ไว้ใน [ที่มาเปิดเว็บไซต์ซอฟแวร์ของอินเทล] 01.org
สิ่งที่น่าสนใจก็คือ บนแล็ปท็อปของคุณ คุณสามารถจำลองได้ประมาณ 30 คิวบิต แต่ควอนตัมคอมพิวติ้งมีพฤติกรรมแบบเลขชี้กำลัง ดังนั้นคุณต้องมีซูเปอร์คอมพิวเตอร์สำหรับ 40 คน
โดยปกติ สิ่งที่เราจะทำคือให้นักพัฒนาอัลกอริทึมของเราสร้างอัลกอริทึมขึ้นมา จากนั้นอาจทดสอบกับโปรแกรมจำลอง จากนั้นให้ข้อเสนอแนะแก่ทีมฮาร์ดแวร์หรือทดสอบกับฮาร์ดแวร์ระยะเริ่มต้น ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้วมันเป็นลูปป้อนกลับ
ตอนนี้มีการเรียนรู้เพียงเล็กน้อยโดยผ่านการจำลอง เมื่อคุณถึงขนาดที่กำหนด—เช่น คุณไม่สามารถจำลอง 49— คุณต้องหาวิธีอื่นในการยืนยันอัลกอริทึมของคุณ
IEEE Spectrum: ต้องใช้เวลานานแค่ไหนกว่าจะถึงระบบ 1000-qubit?
คลาร์ก:ถ้าคุณมองย้อนไปในอดีต ระหว่างทรานซิสเตอร์ตัวแรกกับวงจรรวมตัวแรกจะใช้เวลาประมาณ 10 ปี และเป็นเวลาประมาณ 10 ปีระหว่างวงจรรวมตัวแรกกับไมโครโปรเซสเซอร์ Intel 4004 4004 มีทรานซิสเตอร์เพียง 2,500 ตัว ดังนั้น ถ้าคุณคิดว่าเราสัมพันธ์กับไทม์ไลน์นั้นอย่างไร บางทีเราอาจอยู่ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลใน 5 ปีที่จะมี 1,000 qubits และนั่นจะเป็นความสำเร็จที่น่าสนใจจริงๆ
ฉันคิดว่ามันน่าจะใกล้ถึง 10 ปีหรือมากกว่านั้นที่จะมี 1 ล้าน qubits ที่จะต้องใช้เพื่อเปลี่ยนแปลงสังคมอย่างสุดซึ้ง
ความหวังคือถ้าคุณทำได้ 1,000 ครั้ง ก็ไม่ยากกว่า 1,000 เท่าที่จะทำล้าน แต่นั่นก็ต้องรอดูกันต่อไป และตอนนี้อาจเป็นความปรารถนาในแง่ดี
IEEE Spectrum:เป็นไปได้หรือไม่ที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคตจะต้องเชื่อมโยงชิปต่างๆ และย้ายข้อมูลควอนตัมระหว่างกัน
คลาร์ก: พันธมิตรทางวิชาการของเราในเนเธอร์แลนด์กำลังศึกษาอย่างน้อยถ้าคุณมีชุดของ qubits สปินบนส่วนหนึ่งของซิลิคอน คุณสามารถส่งผลต่อ qubits ในส่วนอื่นได้หรือไม่ ทำไมจึงน่าสนใจ? หากคุณมีช่องว่างระหว่าง qubits คุณจะสามารถมีการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ในพื้นที่ ซึ่งเป็นชิปคอมพิวเตอร์ที่ผสานรวมมากขึ้น
สิ่งที่คุณเห็นใน Tangle Lake นั้นเป็นเพียงควิบิตเท่านั้น ไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุม นั่นคือทั้งหมดที่อยู่นอกตู้เย็น [คิวบิตที่มีตัวนำยิ่งยวดทำงานเฉพาะที่อุณหภูมิมิลลิเคลวินที่สามารถเข้าถึงได้ภายในตู้เย็นเจือจางขนาดใหญ่] ด้วยคิวบิตแบบหมุน มีเหตุผลหลายประการที่ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมเหล่านั้นเข้าใกล้คิวบิตจริงมากขึ้น
มีประโยชน์มากมายในการวางอุปกรณ์ควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ไว้ในตู้เย็น Intel กำลังทำงานเกี่ยวกับชิปควบคุมการแช่แข็งที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการทำงานที่อุณหภูมิต่ำและเข้ากันได้กับชิปเฉพาะเหล่านี้ที่นี่ ฉันคิดว่าคุณจะเห็นบางอย่างในปลายปีนี้
IEEE Spectrum:เหตุใดการรวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมในชิปสปิน-คิวบิตจึงง่ายกว่าในชิปคิวบิตที่มีตัวนำยิ่งยวด
คลาร์ก:เหตุผลบางประการ เหตุผลหลักประการหนึ่งก็คือ เราคิดว่า qubits เหล่านี้สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น และด้วยอุณหภูมิที่สูงขึ้น ฉันหมายความว่าแทนที่จะเป็นหนึ่งร้อยองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ มันก็เหมือน 1 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ฟังดูไม่เยอะ แต่จากมุมมองของการทำความเย็น คุณจะได้รับลำดับความสำคัญในการทำความเย็น นั่นหมายความว่าคุณสามารถมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในท้องถิ่นบางส่วนได้ เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กระจายพลังงาน และยังสามารถเก็บ qubits ของคุณให้เย็นพอที่จะใช้งานได้
IEEE Spectrum:ตู้เย็นขนาดใหญ่เหล่านี้ไม่ได้ทำให้การคำนวณควอนตัมใช้พลังงานมากเกินไปใช่หรือไม่
คลาร์ก: ฉันถูกถามบ่อยมาก เพราะในศูนย์ข้อมูล สิ่งที่พวกเขาสนใจคือประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน นั่นเป็นเหตุผลที่พวกเขาสร้างสิ่งเหล่านี้ขึ้นในที่ห่างไกลซึ่งมีที่ดินราคาถูกและมักจะอยู่ติดกับแม่น้ำใหญ่เช่นแม่น้ำโคลัมเบียในรัฐโอเรกอน วิธีคิดเกี่ยวกับเรื่องนี้คือ: ไม่มีสัญญาใดที่อุปกรณ์นี้จะใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ถ้าฉันไปที่ดาต้าเซ็นเตอร์แล้วพูดว่า “คุณต้องการหนึ่งหรือสองอัน พวกมันไม่ได้ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ แต่พวกมันเป็นกำลังประมวลผลแบบทวีคูณ ซึ่งหมายความว่ามีประสิทธิภาพมากกว่าระบบอื่นๆ หลายร้อยเท่า” คุณจะไม่สนใจเรื่องพลังงานเลยจริงๆ หากประสิทธิภาพพลังงานเป็นการคำนวณต่อพลังงาน เราอาจจะเพิ่มพลังงานเล็กน้อย แต่เรากำลังเพิ่มลำดับความสำคัญในการคำนวณ
IEEE Spectrum:คุณผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนสปิน qubit จำนวนเท่าใด
คลาร์ก: น่าจะ 5 แผ่นต่อสัปดาห์ ตัวอย่างแรกของเรามาถึงเดลฟท์ในวันนี้ อัตรานั้นเป็นจำนวนเล็กน้อยเมื่อเทียบกับโปรแกรมทรานซิสเตอร์ของเรา ซึ่งพวกเขากำลังผลิตเวเฟอร์หลายร้อยหรือหลายพันชิ้น แม้กระทั่งอยู่ระหว่างการพัฒนา แต่ถึงกระนั้น เวเฟอร์ห้าแผ่นนั้นมีอุปกรณ์มากกว่าที่เคยมีมาในโลกของการคำนวณควอนตัม