Intel Labs совместно с QuTech, партнерским проектом TU Delft и TNO (Нидерландской организации прикладных научных исследований), раскрыли ключевые технические характеристики своего нового криогенного чипа для квантовых систем под кодовым названием Horse Ridge. Соответствующая научная работа опубликована в рамках Международной конференции по твердотельной электронике 2020 (International Solid-State Circuits Conference, ISSCC), прошедшей 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.

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 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 характеристики Horse Ridge :

Масштабируемость. Интегрированная система на кристалле (SoC), реализованная с использованием 22-нм 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: этот метод делит общий доступный диапазон частот на серию непересекающихся частотных диапазонов, каждый из которых используется для передачи отдельного сигнала. Используя четыре канала, Horse Ridge может потенциально контролировать до 128 кубитов с помощью одного устройства, что позволяет существенно сократить количество кабелей и инфраструктурного оборудования.

Точность. Увеличение числа кубитов вызывает другие проблемы, которые затрудняют наращивание мощности квантовой системы и ставят под вопрос возможность ее эксплуатации. Одно из таких потенциальных негативных последствий – 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 6–7 ГГц, тогда как спиновые кубиты на частоте от 13 до 20 ГГц.

Intel изучает кремниевые спиновые кубиты, которые могут работать при достаточно высоких для кубитов температурах до 1 К. 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 пакете.