Intel en het Nederlandse instituut QuTech hebben een system-on-a-chip ontwikkeld die tot aan 128 qubits kan aansturen. De ontwikkeling is een stap in de richting van een schaalbare architectuur voor de integratie van qubits en aansturingselektronica.
Intel en QuTech hebben de system-on-a-chip Horse Ridge genoemd, naar een plek in Oregon. De belangrijkste eigenschappen zijn dat het om een geïntegreerd circuit gaat dat schaalbaar is en op beproefde cmos-technologie is gebaseerd, en dat dit functioneert op relatief lage temperaturen. De onderzoekers hebben experimenteel aangetoond dat de soc een qubit op basis van de spinstaat van elektronen kan aansturen. Intel heeft hoge verwachtingen van dit soort spinqubits, omdat ze potentieel werken op een hogere temperatuur dan qubits op basis van supergeleiding, de zogenoemde transmons.
/i/2003395936.jpeg?f=imagegallery)
De aansturing van qubits is een van de struikelblokken om het aantal qubits op chips te vergroten van enkele tientallen, zoals vandaag de dag bij onderzoek, naar de honderden tot duizenden die nodig zijn voor een werkende quantumcomputer. Tot nu toe verbinden wetenschappers elke qubit afzonderlijk met draden met de aansturingselektronica, zoals te zien is bij voorgaande quantumchips van Intel. Om de aansturing dicht op de qubits te plaatsen, moet de elektronica werken op extreem lage temperaturen.
Horse Ridge kan functioneren bij 3 kelvin, oftewel -270,15 graden Celsius. Dat is nog altijd niet voldoende voor de meeste qubitopstellingen, die werken in speciale koelkasten op een fractie boven het absolute nulpunt van -273 graden Celsius, of 0 kelvin. Die lage temperatuur is nodig om de fragiele staat van qubits in stand te houden. Van spinqubits is de verwachting dat deze ook in stand kunnen blijven bij temperaturen tot boven 1,5 kelvin.
"Als we dit temperatuurverschil kunnen overbruggen, kunnen we qubits en hun besturingselektronica in hetzelfde pakket of op dezelfde chip integreren. Dit levert een uiterst compact systeem op", stelt Fabio Sebastiano van QuTech en de faculteit Elektrotechniek, wiskunde en informatica van de TU Delft. Volgens hem is Horse Ridge het eerste cmos-circuit dat een spinqubit kan aansturen.
In de soc zijn vier rf-kanalen geïntegreerd die elk 32 qubits kunnen aansturen via frequency multiplexing, voor een totaal van 128 qubits. Overigens zijn er nog geen processors met zoveel qubits. IBM maakte vorig jaar bekend een processor met 53 qubits ontwikkeld te hebben, terwijl Intels Tangle Lake-testchip 49 qubits biedt. Met deze hoeveelheden qubits gaan we volgens Google het tijdperk van quantum supremacy in, met systemen waarmee berekeningen uit te voeren zijn die supercomputers via klassieke computing niet aankunnen.
Intel heeft Horse Ridge op een 22nm-procedé gemaakt en de soc heeft afmetingen van 4x4mm. De soc bevat 180 kilobyte sram voor de opslag van golfvormen. De aansturing gebeurt op een bandbreedte van 1GHz op frequenties van 2 tot en met 20GHz. Dat maakt de soc ook geschikt voor de aansturing van qubits op basis van supergeleiding. Die aansturing geschiedt meestal op 6 tot 7GHz, terwijl spinqubits op 13 tot 20GHz werken.
De onderzoekers presenteren hun werk deze week tijdens de International Solid- State Circuits Conference in San Francisco onder de titel A Scalable Cryo-CMOS 2-to-20GHz Digitally Intensive Controller for 4×32 Frequency Multiplexed Spin Qubits/Transmons in 22nm FinFET Technology for Quantum Computers.
:strip_icc():strip_exif()/i/2004379632.jpeg?f=fpa_thumb)
/i/2005565724.png?f=fpa)
:strip_exif()/i/2003847926.jpeg?f=fpa)
/i/2001777375.png?f=fpa)
:strip_exif()/i/2001760909.jpeg?f=fpa)
/i/1316612227.png?f=fpa)
/i/1257342214.png?f=fpa)
/u/38782/crop6146c7a29805d_cropped.png?f=community){kind=small}
:strip_icc():strip_exif()/u/140379/Hond_icon.jpg?f=community){kind=icon}
Intel