A computação quântica oferece a promessa de soluções para problemas anteriormente insolúveis, mas para cumprir essa promessa, será necessário preservar e manipular as informações que estão contidas no mais delicado dos recursos: estados quânticos altamente emaranhados. Uma coisa que torna isso tão desafiador é que os dispositivos quânticos devem ser abrigados em um ambiente extremo para preservar as informações quânticas, mas os sinais devem ser enviados para cada qubit a fim de manipular essas informações – exigindo, em essência, uma superestrada de informações para este ambiente extremo. Além disso, ambos os problemas devem ser resolvidos em uma escala muito além da atual tecnologia de dispositivos quânticos.
David Reilly, da Microsoft, liderando uma equipe de pesquisadores da Microsoft e da University of Sydney, desenvolveu uma nova abordagem para o último problema. Em vez de empregar um rack de eletrônicos em temperatura ambiente para gerar pulsos de voltagem para controlar os qubits em uma geladeira de uso especial cuja temperatura base é 20 vezes mais fria do que o espaço interestelar, eles inventaram um chip de controle, denominado Gooseberry, que fica próximo ao dispositivo quântico e opera nas condições extremas prevalecentes na base do refrigerador. Eles também desenvolveram um núcleo de crio-computação de propósito geral que opera em temperaturas ligeiramente mais altas comparáveis às do espaço interestelar, que pode ser alcançado por imersão em Hélio líquido. Este núcleo executa os cálculos clássicos necessários para determinar as instruções que são enviadas para Gooseberry que, por sua vez, alimenta pulsos de voltagem para os qubits. Essas novas tecnologias clássicas de computação resolvem os pesadelos de E / S associados ao controle de milhares de qubits.
A computação quântica pode impactar a química, a criptografia e muitos outros campos de maneiras revolucionárias. Os blocos de construção dos computadores quânticos não são apenas zeros e uns, mas superposições de zeros e uns. Essas unidades fundamentais da computação quântica são conhecidas como qubits (abreviação de bits quânticos). Combinar qubits em dispositivos complexos e manipulá-los pode abrir a porta para soluções que levariam vidas úteis até mesmo para os computadores clássicos mais poderosos.
Apesar do poder de computação potencial incomparável dos qubits, eles têm um calcanhar de Aquiles: grande instabilidade. Uma vez que os estados quânticos são facilmente perturbados pelo ambiente, os pesquisadores devem ir a extremos para protegê-los. Isso envolve resfriá-los quase até a temperatura zero absoluta e isolá-los de interrupções externas, como ruído elétrico. Portanto, é necessário desenvolver um sistema completo, composto de vários componentes, que mantenha um ambiente regulado e estável. Mas tudo isso deve ser realizado enquanto permite a comunicação com os qubits. Até agora, isso exigia um emaranhado de cabos semelhante a um ninho de pássaro, que poderia funcionar para um número limitado de qubits (e, talvez, mesmo em uma “escala intermediária”), mas não para computadores quânticos de grande escala.
Os pesquisadores do Microsoft Quantum estão jogando o jogo longo, usando uma abordagem holística para visar os computadores quânticos em maior escala, necessários para aplicativos com impacto real. Visar esse objetivo maior exige tempo, premeditação e um compromisso de olhar para o futuro. Nesse contexto, o desafio de controlar um grande número de qubits se torna grande, embora os dispositivos de computação quântica com milhares de qubits ainda estejam a anos no futuro.
Entra a equipe de pesquisadores da Microsoft e da University of Sydney, liderada pelo Dr. David Reilly, que desenvolveu uma plataforma de controle quântico criogênico que usa circuitos CMOS especializados para receber entradas digitais e gerar muitos sinais de controle qubit paralelos – permitindo suporte ampliado para milhares de qubits – um salto à frente da tecnologia anterior. O chip que alimenta essa plataforma, chamado Gooseberry, resolve vários problemas de E / S em computadores quânticos operando a 100 miliKelvin (mK) enquanto dissipa potência suficientemente baixa para que não exceda a potência de resfriamento de um refrigerador de pesquisa padrão disponível comercialmente em essas temperaturas. Isso contorna o desafio, de outra forma intransponível, de passar milhares de fios em uma geladeira.
Seu trabalho é detalhado em um artigo publicado na Nature este mês, chamado “A Cryogenic Interface for Controlling Many Qubits”. Eles também ampliaram esta pesquisa para criar o primeiro núcleo de criocomputação de uso geral, um degrau acima na pilha quântica. Ele opera em torno de 2 Kelvin (K), uma temperatura que pode ser alcançada por imersão em Hélio líquido. Embora ainda esteja muito frio, é 20 vezes mais quente do que as temperaturas nas quais a Gooseberry opera e, portanto, 400 vezes mais potência de resfriamento disponível. Com o luxo de dissipar 400 vezes mais calor, o núcleo é capaz de computação de uso geral. Ambas as peças de hardware visionárias são avanços essenciais para os processos de computador quântico em grande escala e são o resultado de anos de trabalho.
Ambos os chips ajudam a gerenciar a comunicação entre diferentes partes de um computador quântico de grande escala – e entre o computador e seu usuário. Eles são os elementos-chave de um “sistema nervoso” complexo de enviar e receber informações de e para cada qubit, mas de uma forma que mantém um ambiente frio estável, o que é um desafio significativo para um sistema comercial de grande escala com dezenas de milhares de qubits ou mais. A equipe da Microsoft superou muitos obstáculos para realizar essa façanha.
O quadro geral: computação quântica topológica e pilha quântica
Dispositivos de computação quântica são frequentemente medidos por quantos qubits eles contêm. No entanto, todos os qubits não são criados iguais, então essas contagens de qubit são freqüentemente comparações maçãs com laranjas. Os pesquisadores da Microsoft Quantum são os pioneiros no desenvolvimento de qubits topológicos, que possuem um alto nível de proteção contra erros embutido no nível do hardware. Isso reduz a sobrecarga necessária para correção de erros no nível do software e permite que cálculos significativos sejam feitos com menos qubits físicos.
Embora esse seja um dos recursos exclusivos da abordagem da Microsoft, não é o único. Na pilha quântica, os qubits constituem sua base. O plano quântico (na parte inferior da Figura 1) é composto de uma série de qubits topológicos (eles próprios compostos de semicondutores, supercondutores e dielétricos), portas, fiação e outros pacotes que ajudam a processar informações de qubits brutos. Os processos vitais de comunicação ocorrem na próxima camada superior da pilha (denominada “Interface Quantum-Clássica” na Figura 1). O chip Gooseberry e o núcleo cryo-compute trabalham juntos para consolidar esta comunicação. O último fica na parte inferior da porção “Classical Compute” da pilha, e Gooseberry é único em relação a outras plataformas de controle, pois se senta com os qubits na mesma temperatura do plano quântico – capaz de converter instruções clássicas de o núcleo de crio-computação em sinais de voltagem enviados para os qubits.
Divirta-se: Dissipando calor em uma plataforma de controle baseada em CMOS
Por que é importante onde fica o chip Gooseberry? Em parte, é uma questão de calor. Quando os fios que conectam o chip de controle aos qubits são longos (como deveriam ser se o chip de controle estivesse em temperatura ambiente), um calor significativo pode ser gerado dentro da geladeira. Colocar um chip de controle próximo aos qubits evita esse problema. A desvantagem é que o chip agora está perto dos qubits, e o calor gerado pelo chip poderia aquecer os qubits. Gooseberry navega por esses efeitos concorrentes colocando o chip de controle perto, mas não muito perto, dos qubits. Ao colocar Gooseberry no refrigerador, mas isolado termicamente dos qubits, o calor criado pelo chip é retirado dos qubits e para a câmara de mistura. (Veja a Figura 2).
Colocar o chip próximo aos qubits no plano quântico resolve um conjunto de problemas de temperatura, mas cria outro. Para operar um chip onde os qubits estão, ele precisa funcionar na mesma temperatura que os qubits – 100 mK. Operar chips CMOS em massa padrão nessa temperatura é um desafio, portanto, esse chip usa a tecnologia de silício sobre isolador totalmente empobrecido (FDSOI), que otimiza o sistema para operação em temperaturas criogênicas. Ele tem uma polarização de porta traseira, com os transistores tendo um quarto terminal que pode ser usado para compensar as mudanças de temperatura. Este sistema de transistores e portas permite que os qubits sejam calibrados individualmente, e os transistores enviam tensões individualizadas para cada qubit.
Gates extrapolando: Não há necessidade de linhas de controle separadas da temperatura ambiente para cada qubit:
Outra vantagem do Gooseberry é que o chip é projetado de forma que os portões elétricos que controlam os qubits sejam carregados por uma única fonte de voltagem que circula pelos portões de forma “round-robin”, carregando conforme necessário. Os controladores qubit anteriores exigiam cabos um-para-um de várias fontes de tensão em temperatura ambiente ou 4K, comprometendo a capacidade de operar qubits em grande escala. O design pioneiro da equipe do Dr. Reilly reduz bastante o calor dissipado por tal controlador. As temperaturas criogênicas também entram em jogo para tornar isso possível – o frio extremo permite que os capacitores retenham sua carga por mais tempo. Isso significa que as portas precisam ser carregadas com menos frequência e produzir menos calor e outras interrupções para a estabilidade do qubit.
O chip Gooseberry é composto de blocos digitais e analógicos. Os circuitos lógicos digitais acoplados realizam comunicação, memória de forma de onda e operação autônoma do chip por meio de uma máquina de estado finito (FSM), e a parte digital do chip também inclui um oscilador mestre (consulte a Figura 3). O chip também usa uma Interface Periférica Serial (SPI) para facilitar a comunicação na parte superior da pilha quântica. O componente analógico do chip é uma série de células, chamadas células “charge-lock fast-gate” (CLFG), que executam duas funções. Em primeiro lugar, a função de bloqueio de carga é o processo para carregar portas, conforme descrito acima. A tensão armazenada em cada porta é ajustada para qubits individuais. A informação é processada em qubits alterando as tensões na porta, e isso acontece na segunda função, “fast-gating”. Isso cria pulsos que manipulam fisicamente os qubits, em última análise, direcionando o processamento da informação nos qubits.
Resultados de benchmarking do controle crio-CMOS com um chip de ponto quântico
A dissipação de baixa potência é um desafio importante quando se trata de se comunicar com qubits de forma eficiente por meio desses pulsos. Existem três variáveis que afetam a dissipação de energia: nível de tensão, frequência e capacitância. A tensão necessária neste caso é definida pelo qubit, e a frequência é definida pelo qubit e pela taxa de clock do plano quântico. Isso deixa a capacitância como a única variável que você pode ajustar para criar baixa dissipação de energia ao carregar portões e enviar pulsos – baixa capacitância significa baixa dissipação. Os capacitores neste sistema são minúsculos, espaçados próximos uns dos outros e estão muito próximos do plano quântico, portanto, eles requerem o mínimo de energia possível para embaralhar a carga entre os capacitores para se comunicar com os qubits.
Os pesquisadores testaram o chip Gooseberry para ver como ele funcionaria conectando-o a um dispositivo quantum dot (QD) baseado em GaAs. Algumas das portas no dispositivo de ponto quântico foram conectadas a um conversor digital-analógico (DAC) em temperatura ambiente para comparar esses resultados com abordagens de controle padrão. O vazamento de energia das células CLFG é medido por um segundo ponto quântico no dispositivo e as medições da condutância QD fornecem uma maneira de monitorar o processo de bloqueio de carga. A temperatura de todos os componentes do chip é medida à medida que o chip de controle é ligado, revelando que a temperatura permanece abaixo de 100 mK dentro da faixa necessária de frequências ou velocidades de clock (consulte a figura 4). Consulte o artigo para obter mais detalhes sobre o processo de benchmarking.
Extrapolando esses resultados, os pesquisadores estimaram a potência total do sistema necessária para o chip de controle Gooseberry em função da frequência e do número de portas de saída. Esses resultados levam em consideração a velocidade do clock e a temperatura necessária para qubits topológicos, e a Figura 5 mostra que esse chip é capaz de operar dentro dos limites aceitáveis enquanto se comunica com milhares de qubits. Esta abordagem de controle baseada em CMOS também parece viável para plataformas qubit baseadas em spins de elétrons ou gatemons.
Prova de princípio de que a computação de uso geral é possível em temperaturas criogênicas
O núcleo de crio-computação de propósito geral é um desenvolvimento recente que dá continuidade ao progresso feito pela Gooseberry. Esta é uma CPU de uso geral operando em temperaturas criogênicas. No momento, o núcleo opera a aproximadamente 2 K e lida com alguma manipulação e manipulação de dados de disparo. Com menos limitações de temperatura, ele também lida com lógica de decisão de ramificação, que requer mais blocos de circuito digital e transistores do que Gooseberry tem. O núcleo atua como um intermediário entre o Gooseberry e o código executável que pode ser escrito por desenvolvedores, permitindo a comunicação configurável por software entre os qubits e o mundo externo. Esta tecnologia prova que é possível compilar e executar muitos tipos diferentes de código (escritos nas ferramentas atuais) em um ambiente criogênico, permitindo maiores possibilidades do que pode ser realizado com qubits sendo controlados pelo chip Gooseberry.
Viagem antes do destino: o Zen por trás da abordagem da Microsoft aos computadores quânticos
Não há dúvida de que tanto Gooseberry quanto o núcleo de crio-computação representam grandes avanços para a computação quântica, e ter esses conceitos revisados por pares e validados por outros cientistas é outro salto à frente. Mas ainda existem muitos outros saltos necessários aos pesquisadores antes que um computador quântico significativo possa ser realizado. Esta é uma das razões pelas quais a Microsoft optou por focar no jogo longo. Embora possa ser bom aumentar um aspecto dos computadores quânticos – como o número de qubits – há muitos conceitos a serem desenvolvidos além dos blocos de construção fundamentais dos computadores quânticos, e os pesquisadores da Microsoft Quantum e da Universidade de Sydney não parando com esses resultados.
Projetos como o chip Gooseberry e o núcleo de crio-computação levam anos para serem desenvolvidos, mas esses pesquisadores não estão esperando para colocar novos projetos quânticos em movimento. A ideia é manter a estrutura do trabalho anterior com novas ideias para que todos os componentes necessários para a computação quântica em grande escala estejam no lugar, permitindo que a Microsoft forneça soluções para muitos dos problemas mais desafiadores do mundo.
Publicado em 02/02/2021 13h12
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