Intel отмечает большой потенциал кремниевых спиновых кубитов

Квантовые вычисления обладают огромным потенциалом, позволяющим решать те проблемы, которые сегодня не под силу традиционным компьютерам. Ученые и инженеры из самых различных отраслей рассчитывают, что квантовые вычисления позволят ускорить разработки, например, в химической отрасли, при создании новых видов лекарств, в финансовом моделировании и даже при прогнозировании погоды и климата.

Чтобы реализовать потенциал квантовых вычислений, корпорация Intel запустила в 2015 году совместную исследовательскую программу, целью которой является разработка коммерчески жизнеспособной квантовой вычислительной системы.Несмотря на значительный прогресс в этой сфере, исследования в области квантовых вычислений все еще находятся на самом начальном этапе своего развития. Пока что предприятия отрасли только начали этот продолжительный марафон. И чтобы воплотить в жизнь новую вычислительную парадигму, им предстоит решить множество проблем и принять множество архитектурных решений. В частности, пока что не ясно, какую форму примут квантовые процессоры (или «кубиты»). Именно поэтому корпорация Intel разрабатывает сразу два крупных исследовательских направления и инвестирует в них в равной степени.

Одна из возможных форм – это сверхпроводящие кубиты. Intel демонстрирует значительный прогресс в разработке этого типа тестовых процессоров, над созданием которых параллельно работают и другие участники отрасли и академического сообщества. Кроме того, Intel ведет исследования альтернативной структуры, при создании которой компания опирается на свой богатый опыт в области производства кремниевых транзисторов. Эта альтернативная структура получила название «спиновых кубитов». Они работают в кремнии и позволяют преодолеть некоторые сложности научного характера и перенести квантовые вычисления из плоскости теоретических исследований в реальность.

Что представляет собой спиновый кубит?

Спиновые кубиты во многом напоминают полупроводниковую электронику и транзисторы в их традиционном виде. Они обеспечивают потенциал квантовых вычислений, используя спины отдельных электронов в кремниевом устройстве и контролируя их перемещения крошечными микроволновыми импульсами.Электроны могут вращаться в различных направлениях. Разворот электрона условно вверх означает двоичную единицу, разворот электрона условно вниз означает двоичный ноль. Но как и в сверхпроводящих кубитах электроны могут находиться в состоянии «суперпозиции», а это означает, что существует вероятность спина, который одновременно может развернут и вверх, и вниз, а это означает возможность одновременной параллельной обработки огромных массивов данных, причем эти вычисления осуществляются намного быстрее, чем это возможно в классическом компьютере.

Зачем нужны исследования спиновых кубитов?

Среди задач, которые предстоит решить ученым, прежде чем квантовые вычисления станут коммерчески возможными, можно отметить невероятную хрупкость или неустойчивость кубитов. Любой шум или непреднамеренное наблюдение может привести к потере данных. В силу этой неустойчивости кубиты должны работать при экстремально низких температурах, что создает новые трудности при материальном исполнении как самих чипов, так и управляющей электроники, которая необходима для их работы. Сверхпроводящие кубиты имеют довольно крупные габариты и работают в системах размером с 200-литровую бочку. Это значительно усложняет задачу масштабирования квантовой системы до миллионов кубитов, что необходимо для создания действительно полезных коммерческих систем.

Спиновые кубиты в сравнении со сверхпроводящими кубитами обладают несколькими преимуществами для решения этих задач.

Они маленькие и прочные: По своим физическим размерам спиновые кубиты намного меньше сверхпроводниковых, при этом предполагается, что время когерентности этих кубитов будет больше – а это является преимуществом, поскольку позволяет исследователям масштабировать систему на миллионы кубитов, что необходимо для создания коммерческих систем.

Они могут работать при более высоких температурах: Кремниевые спиновые кубиты могут работать при более высоких температурах, чем сверхпроводящие кубиты (при 1 кельвине по сравнению с 20 милликельвинами). Это позволяет значительно снизить сложность системы, необходимой для функционирования чипов за счет интеграции управляющей электроники и размещения ее намного ближе к процессору. Корпорация Intel вместе со своим научным партнером по исследованиям QuTech изучают возможность работы спиновых кубитов при более высоких температурах, и добились замечательных результатах при температуре до 1 кельвина (то есть в 50 раз более высокой температуре, чем необходима для работы сверхпроводящих кубитов). Исследователи намерены поделиться результатами на съезде Американского физического общества (American Physical Society, APS) в марте этого года.

Производственные ноу-хау Intel: Конструкция процессоров на спиновых кубитах во многом напоминает традиционные технологии кремниевых процессоров. Хотя перед учеными и инженерами по-прежнему стоят задачи масштабировать эту технологию, Intel располагает необходимым оборудованием и инфраструктурой, созданных на протяжении десятилетий массового производства транзисторов.

Каков текущий статус исследований спиновых кубитов?

На этой неделе состоится ежегодный съезд Американской ассоциации содействия развитию науки (American Association for the Advancement of Science, AAAS), и компания QuTech намерена рассказать о своих успехах в области создания квантового компьютера на базе двух спиновых кубитах, который запрограммирован для выполнения дух простых квантовых алгоритмов. Эта разработке открывает возможности для создания более крупных процессоров на базе спиновых кубитов, которые способны выполнять боле сложные задачи.

Тем времением, Intel изобрела способ производства спиновых кубитов на базе своего 300-мм технологического процесса с использованием изотопно-чистых подложек, создаваемых специально для производства тестовых чипов на основе спиновых кубитов. Кубиты выпускаются на том же предприятии Intel, которое специализируется на современных транзисторных технологиях. В настоящее время Intel тестирует первоначальные подложки. В течение уже ближайших двух месяцев Intel намерена выпускать множество подложек в неделю, на каждой из которых будут размещены тысячи небольших массивов кубитов.

В перспективе корпорация Intel и QuTech намерены продолжать исследования как в области сверхпроводящих кубитов, так и в области спиновых кубитов в масштабах всей квантовой системы – или «стека» – от кубитовых устройств до аппаратной и программной архитектуры, которая необходима для управления этими устройствами, и до непосредственно квантовых приложений. Все это является важным условием для того, чтобы перейти от научных изысканий к практике и сделать квантовые вычисления реальностью.