Intel-soc gaat ijskoud zijn gang

Als de wetenschap ooit over een supersnelle quantumcomputer wil kunnen beschikken, is een van de obstakels die overwonnen moet worden, de bottleneck die de bedrading gaat vormen. Elke qubit moet individueel aangestuurd worden om er mee te kunnen rekenen. Die aansturing gebeurt met signalen via kabels en elke qubit moet dus met een kabel met 'de buitenwereld' verbonden worden. Dat is niet zo'n probleem bij enkele tientallen qubits, maar wel bij de duizenden tot miljoenen quantumbits die nodig zijn voor krachtige supercomputers: de complexiteit en hoeveelheid kabels worden al snel onwerkbaar.

Intel en QuTech, het quantumtechnologieinstituut waarin de TU Delft en TNO samenwerken, denken dat de Horse Ridge-chip de deur opent voor het omzeilen van deze wiring bottleneck, omdat deze de deur opent naar integratie van de aansturing en de qubitchip in een compact geheel. De vraag was of de aansturings-chip wel echt geschikt was voor de aansturing. Testen tonen nu aan dat de 22nm-soc twee qubits prima controleert, ook op een lage temperatuur van enkele graden boven het absolute nulpunt. Ze publiceren er over in Nature. Tweakers sprak met twee van de onderzoekers over het belang van hun testwerk.

Intel Horse Ridge

Horse Ridge zelf is niet nieuw. QuTech en Intel onthulden begin 2020 het bestaan van deze chip. Lieven Vandersypen, director research bij QuTech: "Vorig jaar maakten we de eigenschappen van de chip bekend en publiceerden we resultaten bij het aansturen van een enkele qubit. Het ging toen slechts om een enkele rotatie van een enkele qubit, maar nu gaat het om de universele controle van twee qubits. Dat betekent dat we een willekeurige reeks van operaties kunnen programmeren voor die qubits. We demonstreren de programmeerbaarheid met het draaien van een algoritme."

Vandersypen en zijn team slaagden er in het Deutsch–Jozsa-algoritme te draaien. Dit is een van de eerste algoritmes voor quantumcomputing en deze werd begin jaren negentig ontwikkeld. Het heeft geen bruikbare toepassing, het is een simpel zogenoemd toy algorithm, dat wel veel efficiënter op een quantumcomputer dan een traditionele computer kan draaien. Het voordeel voor het QuTech-team is dat er een versie van het Deutsch–Jozsa-algoritme is, die met slecht twee qubits te draaien is. De aansturing van qubits bleek daarbij van hoge kwaliteit. Die aansturing verloopt via microgolven op frequenties van 2 tot en met 20GHz, om de spin van elektronen te beïnvloeden.

De maatstaf voor de kwaliteit is de gate fidelity. Vandersypen: "We kunnen de kwaliteit, de fidelity, van Horse Ridge niet onderscheiden van die van commerciële apparatuur die op kamertemperatuur werkt en die standaard bij quantumcomputingonderzoek gebruikt wordt. Als je in ons laboratorium komt, zie je een grote koelkast. Daarin is het extreem koud en daar is de qubitchip geplaatst. Buiten deze koelkast staat commerciële apparatuur, van bijvoorbeeld fabrikanten als Keysight en Tektronix. Je kunt hier signalen mee genereren om qubits te beheren, zodat je kunt rekenen met de qubits. Dit zijn instrumenten voor meerdere toepassingen; heel duur, heel bulky en ze vergen veel energie."

QuTech Horse Ridge — QuTechs Horse Ridge-onderzoeksteam met in het midden Lieven Vandersypen, links Fabio Sebastiano

Wat Vandersypen en zijn team gedaan hebben, is dat instrumentarium om de controlesignalen te versturen te vervangen door de Horse Ridge-chip met een omvang van enkele millimeters. "De qubits zijn als een marionet en die wil je laten dansen. Dat kan met de omvangrijke apparatuur, maar Horse Ridge kan dat net zo goed." De onderzoekers gebruiken kwantitatieve testen om de kwaliteit te meten, single-qubit randomized benchmarking. Tussen de apparatuur plaatsen ze een switch, die de microgolven voor de aansturing van de qubitchip willekeurig via ofwel de commerciële apparatuur, ofwel via Horse Ridge kan routeren. Het resultaat was een hoge fidelity van 99,69 procent voor Intels cryo-controller en 99,71 procent voor de commerciële apparatuur op kamertemperatuur.

Quantumcomputers?

Meer informatie over de werking van quantumcomputers en het onderzoek ernaar, lees je in de eerder verschenen artikelen

Fabio Sebastiano, collega van Vandersypen en eveneens betrokken bij het onderzoek, duidt het belang van deze hoge fidelitywaarde: "De kwaliteit van een geheel quantumsysteem wordt bepaald door twee dingen: de kwaliteit van de aansturing en de kwaliteit van de qubits. De kwaliteit van de bestaande aansturingsapparatuur was al zo goed, dat de kwaliteit van de qubits de limiterende factor was. Dat niveau bereiken we nu ook met cryogenic control van Horse Ridge." De onderzoekers noemen de Intel-chip een cryogenic controller omdat ze deze, in tegenstelling tot de grote apparaten, net als de qubitchip in de koelkast plaatsen.

Vandersypen: "De uitdaging van de commerciële apparatuur is dat deze zich buiten de koelkast bevindt. De quantumchip zit in de koelkast. Met de nu bekende methodes moeten we tussen elke qubit een draad leggen naar de instrumenten buiten de koelkast. De toekomstvisie is dat de aansturingssignalen vlak bij de qubits gegenereerd worden, misschien op dezelfde chip, misschien door een afzonderlijke chip, flipchipped op een package. Dat kan de wiring bottleneck opheffen, wat een van de grootste problemen is die we hebben bij het opschalen van quantumprocessors. Om dat te realiseren, moeten enkele uitdagingen overwonnen worden, want je controle-elektronica moet functioneren op temperaturen nabij het absolute vriespunt, deze moet energiezuinig zijn en het moet compact blijven."

Horse Ridge functioneerde bij de benchmarking op 3 kelvin, zowat -270 graden Celsius, terwijl de quantumbits tot 20 millikelvin gekoeld waren, twintigduizendste van een graad boven het absolute nulpunt, oftewel -273,13 graden Celsius. Daar zit dus nog een verschil tussen, maar de gebruikte qubits, silicon spin quantum dots, zijn ook op temperaturen boven 1 kelvin te gebruiken. Dat opent mogelijkheden om Horse Ridge en de qubitchip verder te integreren.

De plaatsing van Intel Horse Ridge bovenaan, ten opzichte van de quantumchip onderaan

Wat is eigenlijk gedaan om Horse Ridge bestand te maken tegen de lage temperaturen? Sebastiano: “Bij de fabricage gebruiken we dezelfde CMOS-technieken als voor conventionele processors. We willen tot dezelfde complexiteit kunnen komen, met miljarden transistors. Die hebben we nu nog niet nodig, maar bij een quantumcomputer van duizenden qubits wil je die complexiteit straks wel hebben. Horse Ridge heeft zo’n honderd miljoen transistors. Als je de temperatuur verlaagt tot cryogene waarden, functioneren die transistors nog wel, maar gedragen ze zich elektrisch gezien heel anders. Om hier mee om te gaan, moesten we eerst dit gedrag begrijpen en vervolgens circuits aanpassen om hier op in te spelen." Horse Ridge bevat dus gewijzigde logica om afwijkingen door de kou te compenseren.

Volgens Sebastiano was het binnen de perken houden van de energieconsumptie een belangrijk punt. "Je betaalt met vermogen. Hoe hogere prestaties je verlangt, hoe meer je verbruikt, en ons budget is beperkt. Als de chip te warm wordt, verhoog je immers de temperatuur in de koelkast. We moesten de elektronica zo optimaliseren dat deze het minste verbruikte, met behoud van de kwaliteit van de aansturing van de qubits. Ons doel was zelfs een fidelity van 99,99 procent, om voldoende marge aan te houden en er zeker van te zijn dat de elektronica geen negatieve impact heeft op het quantumsysteem. We gebruiken temperatuursensoren op de chip, net als conventionele chips, om ‘hotspots’ van boven, zeg, 4 kelvin, te detecteren."

De warmte was bij de testen nog binnen de perken te houden, maar hoe zal dat gaan bij het opschalen naar de aansturing van grote hoeveelheden qubits? Sebastiano: "Horse Ridge heeft vier kanalen om 32 qubits aan te sturen, dus in totaal 128 qubits. We hebben dus nog wel wat speelruimte. Maar inderdaad, als we naar verdere integratie en duizenden qubits gaan, worden de temperatuurverschillen een uitdaging." Wel is het zo dat door het gebruik van CMOS-technologie meegelift kan worden op het verlagen van het energieverbruik door onder andere kleinere productieprocedés.

Op papier zijn het mooie resultaten, maar voorlopig heeft Horse Ridge nog net zoveel bedrading nodig als commerciële apparatuur. Vandersypen: "Klopt, dit is dan ook een tussenstap op weg naar integratie van de aansturings-chip en de qubitchip. De toekomstvisie is nu dat we de beide chips dichterbij elkaar kunnen brengen en te integreren om de wiring bottleneck te overwinnen."

QuTech-collega Menno Veldhorst stelde recent voor om gebruik te maken van word- en bitlines om qubits efficiënt te kunnen adresseren en zo deze bottleneck te omzeilen, iets wat Vandersypen ook ziet gebeuren. "Een op halfgeleiders gebaseerde quantumcomputer zal beide elementen gebruiken, zo is onze visie. Aan de ene kant kun je crossbaradressering gebruiken, zoals in DRAM, om het aantal draden te verminderen, en tegelijkertijd integreer je elektronica om dit te bereiken."

Het QuTech-team en Intel richten zich nu op het optimaliseren van functionaliteit; zo zijn er nog stappen te zetten op het gebied van het uitlezen van de qubits en het verbeteren van de prestaties. Sebastiano: "Uiteindelijk heb je al die functionaliteit maar ook prestaties nodig en dan gaat het om kwaliteit, vermogen en temperatuur. Dit zijn de drie factoren die het mogelijk maken om de elektronica en qubits samen te brengen en het systeem schaalbaar te maken."

Intel-soc gaat ijskoud zijn gang: stuurt qubits aan op 3 kelvin in Delft

Quantumcomputers?

Lees meer

IT-banen

Reacties (21)

Sorteer op:

Weergave: