Sursă: O interfață criogenică pentru controlul mai multor qubiți ( arXiv:1912.01299 )
Există mai multe tipuri de modalități de qubit, iar una dintre cele promițătoare este qubitul supraconductor.
Provocarea modului de procesare a qubitilor supraconductori este că este foarte sensibil la zgomotul ambiental și are o durată de viață mai scurtă decât alte modalități. În plus, qubiții supraconductori necesită funcționare la temperaturi criogenice, ceea ce necesită utilizarea unor sisteme specializate de răcire.
Obiectivul sistemului criogenic este de a atinge o temperatură aproape de zero absolut (< 0,1 K), reducând astfel la minimum interferențele din energia termică. Qubiții sunt entități sensibile, așadar cu cât interferențele sunt mai mici, cu atât mai bine.
Există mai multe aspecte de luat în considerare în ceea ce privește criogenizarea: în primul rând, QPU-ul trebuie amplasat în frigider, în timp ce stiva de control funcționează la temperatura camerei. Acest lucru este deja posibil astăzi cu soluții de la Bluefors - dar acest lucru creează așa-numitul „blocaj de cablare” la nivel de interconectare.
Din fericire, industria este foarte proactivă în abordarea acestei provocări și sunt disponibile numeroase soluții de cablare de înaltă densitate, chiar integrate cu frigiderul (vezi imaginea din dreapta).
Convertoare criogenice digitale-analogice (DAC)
Link to heading
Al doilea aspect este de a opera stiva de control la o temperatură mult mai scăzută. Aspectul interesant al funcționării la temperaturi mai scăzute este că nivelul de zgomot trebuie menținut la minimum pentru a preveni interferențele cu qubiții. Prin urmare, Cryo-CMOS se impune ca o tehnologie esențială pentru computerele cuantice la scară largă și alte aplicații constrânse de blocajele de cablare.
În diagrama de mai jos din TU Deflt, semnalele analogice sensibile sunt indicate în albastru, în timp ce liniile digitale și de alimentare/polarizare mai robuste sunt în negru, respectiv roșu. Obiectivul principal este de a minimiza semnalele în albastru.
Una dintre numeroasele provocări care apar odată cu crio-ASIC-urile este că comportamentul fizic al tehnologiei CMOS la temperaturi criogenice, inclusiv disiparea de putere și bugetul termic, trebuie menținut la un nivel scăzut. Așadar, al treilea aspect este de a avea control deplin asupra ASIC-ului pentru a funcționa la temperaturi criogenice.
De exemplu, în diagrama de mai jos, FPGA-ul este acum situat la 4K (-269,15 °C), iar știind cât de mult se încălzește FPGA-ul, acest lucru devine o provocare uriașă în comparație cu DAC-ul doar la 4K (ceea ce în sine este, de asemenea, o provocare uriașă!).
(Sursa: Electronică criogenică pentru citirea procesoarelor cuantice)
Studiu de caz: Google: Pe calea către controlul criogenic al procesoarelor cuantice
Link to heading
Deși articolul și videoclipul de la Google sunt deja destul de vechi (2019), sunt pline de informații foarte relevante.
Problema cu actualul hardware de control și măsurare „cu un singur qubit”, atunci când este scalat cu distribuția de etape a temperaturii (adică, cu citire la 300K sau ~25°C), este blocajul de cablare. Imaginea din dreapta arată câte cabluri sunt necesare la scalarea sistemului la un sistem de 72 de qubiți, împreună cu o aproximare utilă a numărului de „componente” per qubit (unde componentele se referă la DAC, ADC, AWG etc.).
Următoarele două diapozitive prezintă divizarea propusă de echipa Google în ceea ce privește „crio-staging-ul”, care, fără surprize, se potrivește cu conceptele anterioare de mutare a controlului la 4K. Partea interesantă este că, pentru Google, domeniul digital este împărțit în două părți, funcționând atât la 4K, cât și la 300K.
Analizând detaliile componentelor 4K ale controlului digital, Google a venit cu o abordare foarte simplă, dar ingenioasă, a AWG (prezentată în imaginea din stânga). Interconectarea cu domeniul de control de 300K este materializată sub forma unei memorii pentru stocarea eșantioanelor AWG.
Ceea ce îmi place în propunerea de mai sus este că logica de calcul, sau calculul clasic (CC), rămâne la 300K, iar interfața dintre logica de calcul și generarea semnalului în timp real este implementată folosind memoria. Această memorie trebuie să fie mică și de aceea ar trebui să existe o cuplare strânsă între CC și AWG. Din păcate, există informații publice limitate disponibile despre această interfață.
Fără îndoială, industria va putea produce ASI-uri criogenice în termen de 5 până la 10 ani, cu un front-end digital complet care cuprinde regulatoare de tensiune, generator de ceas și un nucleu digital reconfigurabil care funcționează la temperaturi criogenice profunde. Acest lucru va ajuta la depășirea „blocajului de cablare”.
Pe de altă parte, alte modalități, cum ar fi qubiții adresabili optic, care pot fi operați la temperatura camerei, ar putea experimenta o descoperire revoluționară care le va aduce la egalitate cu qubiții de siliciu.
În orice caz, se poate presupune că această provocare va fi depășită în decurs de un deceniu.
Voilà, această notă de duminică dimineață nu a aprofundat niciun fel de detalii, ci a pus bazele pentru înțelegerea motivelor, provocărilor și soluțiilor pentru operarea entităților cuantice (qubiții) la temperaturi criogenice.
Resurse și lecturi suplimentare
Link to heading
Încercarea inversă a codului GPT în chat despre diferența dintre un computer și o mașină.
(întrebări: „Poți desena o imagine de desen animat a unui «computer cuantic criogenic»?” vs „Poți desena o imagine de desen animat a unei «mașini cuantice criogenice»”)