Intel Labs совместно с QuTech, партнерским проектом TU Delft и TNO (Нидерландской организации прикладных научных исследований), раскрыли ключевые технические характеристики своего нового криогенного квантового процессора под кодовым названием Horse Ridge. Подробности представлены в научной работе, опубликованной в рамках Международной конференции по твердотельной электронике 2020 (International Solid-State Circuits Conference, ISSCC), которая состоялась в Сан-Франциско. В статье рассмотрены ключевые технические возможности Horse Ridge, которые позволяют решить фундаментальные проблемы при построении квантовой системы, достаточно мощной, чтобы продемонстрировать практичность и целесообразность квантовых вычислений, а также те преимущества, которые они в себе несут (quantum practicality): масштабируемость, гибкость и точность.

Сообщество исследователей в области квантовых вычислений находится лишь на первых этапах своей работы по демонстрации практической целесообразности этой технологии. Возможность применения квантовых вычислений для решения практических задач зависит от способности масштабировать систему до тысяч кубитов и одновременно управлять ей с высокой точностью. Чип Horse Ridge значительно упрощает современную сложную управляющую электронику, необходимую для работы такой квантовой системы, благодаря использованию высокоинтегрированной системы на кристалле (SoC). Она позволяет ускорить настройку системы, повысить производительность кубитов и обеспечить ее эффективное масштабирование до большего числа кубитов, необходимого для применения квантовых вычислений в решении практических задач.

Основные технические подробности, освещенные в научной статье:

  • масштабируемость. Интегрированная система на кристалле (SoC), реализованная с использованием 22нм CMOS технологии Intel FFL (FinFET Low Power), объединяет в одном устройстве сразу четыре радиочастотных (RF) канала. Каждый канал способен контролировать до 32 кубитов, используя частотное мультиплексирование — метод, который делит общий доступный диапазон частот на серию непересекающихся частотных диапазонов, каждый из которых используется для передачи отдельного сигнала. Используя эти четыре канала, Horse Ridge может потенциально контролировать до 128 кубитов с помощью одного устройства, что позволяет существенно сократить количество кабелей и инфраструктурного оборудования, по сравнению с тем, что требовалось ранее;
  • точность. Увеличение числа кубитов вызывает другие проблемы, которые затрудняют наращивание мощности квантовой системы и ставят под вопрос возможность ее эксплуатации. Одним из таких потенциальных негативных последствий является снижение точности и производительности кубита. Разрабатывая чип Horse Ridge, Intel оптимизировала технологию мультиплексирования, которая позволяет масштабировать систему и уменьшить ошибки от «фазового сдвига» — явления, которое может возникнуть при управлении множеством кубитов на разных частотах, что приводит к появлению перекрестных помех между кубитами. Различные частоты, используемые в Horse Ridge, можно «подстраивать» с высокой точностью, что позволяет квантовой системе адаптироваться и автоматически корректировать фазовый сдвиг при управлении несколькими кубитами через один и тот же радиочастотный канал, тем самым улучшая точность срабатывания кубитных вентилей;
  • гибкость. Чип Horse Ridge способен работать с широким диапазоном частот, позволяя управлять как работой сверхпроводящих кубитов (так называемых трансмонсов — transmons), так и спиновых кубитов. Трансмонсы обычно работают на частоте около 6 ГГц-7 ГГц, тогда как спиновые кубиты — на частоте от 13 ГГц до 20 ГГц.

Intel изучает кремниевые спиновые кубиты, которые могут работать при достаточно высоких для кубитов температурах до 1 градуса Кельвина. Данное исследование открывает возможности для интеграции кремниевых спин-кубитных устройств и криогенной системы управления, реализованной в Horse Ridge, для создания решения, которое позволяет объединить кубиты и элементы управления в одном удобном пакете.