Horse Ridge II, Intels kryogener Steuerchip der zweiten Generation, bringt wichtige Steuerfunktionen für den Betrieb von Quantencomputern in den Tieftemperatur-Kühlschrank - so nah wie möglich an die Qubits selbst - um die Komplexität der Steuerverdrahtung für Quantensysteme zu rationalisieren. (Bild: Intel)
Aufbauend auf den Innovationen der 1. Generation des Horse Ridge-Chips, der 2019 vorgestellt wurde, unterstützt die 2. Generation, Horse Ridge II, erweiterte Fähigkeiten und höhere Integrationsstufen für eine elegante Steuerung des Quantensystems. Zu den neuen Funktionen gehören die Fähigkeit, Qubit-Zustände zu manipulieren und zu lesen sowie das Potenzial mehrerer Gates zu steuern, die zur Verschränkung mehrerer Qubits erforderlich sind.
Jim Clarke, Direktor für Quanten-Hardware bei Intel beschrieb den Fortschritt so: „Wir sind der Meinung, dass die Erhöhung der Anzahl von Qubits, ohne die daraus resultierende Komplexität der Verdrahtung zu adressieren, dem Besitz eines Sportwagens gleicht, bei dem man aber ständig im Stau steht. Horse Ridge II rationalisiert die Steuerung von Quantenschaltungen weiter, und wir erwarten, dass dieser Fortschritt zu einer erhöhten Wiedergabetreue und einer geringeren Leistungsabgabe führt und uns der Entwicklung einer ‚verkehrsfreien‘ integrierten Quantenschaltung einen Schritt näher bringt.“
Quantencomputer – Studie zu Einsatzmöglichkeiten und Marktpotenzialen
Welche Quanteneffekte spielen beim Quantencomputing eine Rolle? Wie können sie Rechenverfahren etwa beim Maschinellen Lernen beschleunigen und völlig neue Anwendungen ermöglichen – etwa im Bereich Logistik & Mobilität, in der Pharmaindustrie oder in der Finanzwirtschaft? Das erklären die Experten der Fraunhofer-Allianz Big Data und Künstliche Intelligenz sowie des Fraunhofer-Forschungszentrums Maschinelles Lernen in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum Maschinelles Lernen Rhein-Ruhr ML2R in ihrer Studie.
Warum das so wichtig ist: Heutige frühe Quantensysteme verwenden Raumtemperatur-Elektronik mit vielen Koaxialkabeln, die zum Qubit-Chip in einem Verdünnungskühlschrank geführt werden. Dieser Ansatz lässt sich aufgrund des Formfaktors, der Kosten, des Stromverbrauchs und der thermischen Belastung des Kühlschranks nicht auf eine große Anzahl von Qubits skalieren. Mit dem ursprünglichen Horse Ridge hat Intel den ersten Schritt zur Lösung dieser Herausforderung getan, indem es die Notwendigkeit von mehreren Racks mit Geräten und Tausenden von Drähten, die in den Kühlschrank hinein und aus ihm herausführen, um die Quantenmaschine zu betreiben, radikal vereinfacht hat. Intel ersetzte diese sperrigen Geräte durch einen hochintegrierten System-on-Chip (SoC), der das Systemdesign vereinfacht und ausgefeilte Signalverarbeitungstechniken einsetzt, um die Einrichtungszeit zu beschleunigen, die Qubit-Leistung zu verbessern und es dem Ingenieursteam zu ermöglichen, das Quantensystem effizient auf größere Qubit-Zahlen zu skalieren.
Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten
Als im Juni 2021 der erste Quantencomputer in Deutschland von IBM eingeweiht wurde, war das Interesse groß. Aber was verbirgt sich hinter der Technologie? Was kann sie eines Tages leisten, woran wird geforscht und wo lauern Gefahren? Das und mehr erfahren Sie hier.
Horse Ridge II ermöglicht Auslesen von Qubits und Multigate-Pulsierung
Über die neuen Funktionen: Horse Ridge II baut auf der Fähigkeit des SoCs der ersten Generation auf, Hochfrequenzpulse zu erzeugen, um den Zustand des Qubits zu manipulieren, bekannt als Qubit-Antrieb. Es werden zwei zusätzliche Steuerungsfunktionen eingeführt, die den Weg für eine weitere Integration externer elektronischer Steuerungen in das SoC ebnen, das im Inneren des Tieftemperatur-Kühlschranks arbeitet.
Die neuen Funktionen ermöglichen:
- Auslesen des Qubits: Die Funktion gewährt die Möglichkeit, den aktuellen Qubit-Zustand auszulesen. Das Auslesen ist von Bedeutung, da es eine On-Chip-Qubit-Zustandserkennung mit geringer Latenz ermöglicht, ohne große Datenmengen zu speichern und somit Speicher und Strom zu sparen.
- Multigate-Pulsierung: Die Fähigkeit, das Potenzial vieler Qubit-Gates gleichzeitig zu steuern, ist grundlegend für das effektive Auslesen von Qubits und die Verschränkung und den Betrieb mehrerer Qubits und ebnet den Weg zu einem besser skalierbaren System.
Die Hinzufügung eines programmierbaren Mikrocontrollers, der innerhalb des integrierten Schaltkreises arbeitet, ermöglicht dem Horse Ridge II ein höheres Maß an Flexibilität und ausgefeilten Kontrollen, wie die drei Kontrollfunktionen ausgeführt werden. Der Mikrocontroller verwendet digitale Signalverarbeitungstechniken, um eine zusätzliche Filterung der Impulse vorzunehmen, was dazu beiträgt, das Übersprechen zwischen den Qubits zu reduzieren.
Horse Ridge II könnte Kühlproblem vereinfachen
Horse Ridge II ist in 22 nm-Low-Power-FinFET-Technologie (22FFL) implementiert und seine Funktionalität wurde bei 4 K verifiziert. Heute arbeitet ein Quantencomputer im Milli-Kelvin-Bereich – nur ein Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt. Aber Silizium-Spin-Qubits – die Grundlage von Intels Quantenbestrebungen – haben Eigenschaften, die es ihnen erlauben könnten, bei Temperaturen von 1 K oder höher zu arbeiten, was die Herausforderungen bei der Kühlung des Quantensystems erheblich reduzieren würde.
Intels Forschung im Bereich der Tieftemperatur-Steuerung konzentriert sich darauf, sowohl für die Steuerung als auch für die Silizium-Spin-Qubits das gleiche Betriebstemperaturniveau zu erreichen. Laufende Fortschritte in diesem Bereich, wie sie in Horse Ridge II demonstriert wurden, stellen einen Fortschritt gegenüber den heutigen Brute-Force-Ansätzen zur Skalierung von Quantenverbindungen dar und sind ein entscheidendes Element der längerfristigen Vision des Unternehmens von der Quantenpraktikabilität.
Was kommt als Nächstes? Intel wird weitere technische Details aus dieser Forschung während der International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) im Februar 2021 vorstellen.
