Pubblicato su IEEE Spectrum
La startup di computer quantistico Seeqc ha sviluppato un nuovo microchip in una configurazione multichip-module. Il processore quantistico [chip più piccolo, in alto] è collegato a un chip di controllo [chip più grande, in basso] con una distanza attentamente controllata tra di loro.
I computer quantistici possono, in teoria, trovare risposte a problemi che i computer classici impiegherebbero eoni a risolvere, ma attualmente i ricercatori devono affrontare grandi sfide per adattarli all'uso pratico. Di recente, una startup di quantum computing ha svelato il primo microchip superconduttivo digitale per controllare i processori quantistici, che potrebbero aiutare i qubit a raggiungere il loro potenziale ultraveloce e ad alta efficienza.
Più qubit sono quantisticamente collegati tra loro tramite entanglement, più calcoli possono essere eseguiti in modo esponenziale. Google, IBM e altri giganti della tecnologia stanno sviluppando computer quantistici utilizzando circuiti superconduttivi come qubit perché tale hardware sembra essere scalabile a migliaia di qubit nel prossimo futuro.
“Si ritiene che siano necessari da 100.000 a 1 milione di qubit fisici per costruire un pratico computer quantistico. Stiamo spianando un modo per realizzarlo. —Shu-Jen Han, Seeqc
"Attualmente, IBM e Google stanno utilizzando uno schema di controllo diretto per ogni qubit superconduttivo", afferma Shu-Jen Han, vicepresidente dell'ingegneria presso la startup di quantum computing Seeqc, a Elmsford, New York. Ciò significa che ogni qubit richiede le proprie linee di controllo analogiche, che collegano direttamente l'elettronica a temperatura ambiente al qubit a temperature di millikelvin, solo pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto (–273,15 °C), spiega.
Han osserva che questo approccio deve affrontare una serie di svantaggi. Innanzitutto, scala male, poiché il numero di linee di controllo necessarie aumenta linearmente con il numero di qubit. In secondo luogo, l'elevato numero di componenti richiesti genera anche calore che può impattare negativamente i qubit. In terzo luogo, utilizza segnali di controllo analogici che sono abbastanza sensibili al rumore. Infine, questa strategia si traduce spesso in ritardi significativi mentre i segnali viaggiano avanti e indietro tra i processori quantistici che lavorano a temperature criogeniche e l'elettronica di controllo che di solito funziona a temperatura ambiente. Tali ritardi possono essere problemi significativi per le principali operazioni di calcolo quantistico che richiedono alta velocità, come nel caso della correzione degli errori, afferma Han.
Per superare questi problemi, Seeqc ha sviluppato un nuovo microchip per il controllo dei processori quantistici. Il dispositivo si basa su un approccio con elettronica superconduttiva chiamato tecnologia a singolo quanto flusso, che codifica i dati sotto forma di singole fluttuazioni magnetiche.
Il nuovo dispositivo funziona a velocità fino a 40 gigahertz e a 20 millikelvin. È compatibile con tutti i tipi di qubit superconduttivi, nonché con altre piattaforme di qubit come gli spin qubit, afferma la società.
Il nuovo microchip di controllo funziona all'incirca alle stesse temperature criogeniche dei qubit superconduttivi, il che consente a Seeqc di attacarlo direttamente ad un processore quantistico. Ciò riduce drasticamente i ritardi dei segnali che viaggiano avanti e indietro tra l'elettronica di controllo ed i qubit.
Eliminare la necessità di rack con costosi elettronica di controllo a temperatura ambiente riduce anche il costo e la complessità del calcolo quantistico di ordini di grandezza, afferma la società. Ridurre il numero di cavi e altri componenti necessari per controllare i qubit significa anche che "ci sarà molto meno calore generato nel sistema per degradare le prestazioni dei qubit", aggiunge Han.
Inoltre, il nuovo chip utilizza segnali di controllo digitali. Questi sono molto più resistenti alle interferenze e al rumore rispetto ai segnali analogici, osserva Han.
Inoltre, il nuovo chip include un demultiplexer, che può distribuire un singolo segnale di controllo a più qubit. Ciò riduce significativamente il numero di linee di controllo, contribuendo a risolvere il problema della scalabilità, afferma Han.
Un modo in cui IBM e Google stanno cercando di migliorare il controllo dei loro processori quantistici è con microchip di controllo cryo-CMOS, che, come i dispositivi di Seeqc, funzionano a temperature criogeniche. Tuttavia, i transistor CMOS generano molto più calore rispetto all'elettronica superconduttiva. Ciò significa che IBM e Google non possono integrare questi microchip cryo-CMOS direttamente con i processori quantistici, come può fare Seeqc. Questi dispositivi cryo-CMOS devono anche possedere una complessità del circuito limitata per evitare di generare troppo calore, afferma Han.
Al contrario, i dispositivi Seeqc sono 40 volte più veloci e 1.000 volte più efficienti dal punto di vista energetico della tecnologia cryo-CMOS, afferma Han. Inoltre, i microchip cryo-CMOS si basano ancora su segnali di controllo analogici e non sono in grado di eseguire il demultiplex su chip come il chip di Seeqc, aggiunge.
Un processore quantistico di Seeqc che utilizza questo nuovo microchip di controllo è stato presentato ad aprile come primo computer quantistico full-stack in Italia. L'azienda spera che questa nuova strategia di controllo possa aiutare ad rendere il calcolo quantistico reale, afferma Han. "Si ritiene che per costruire un computer quantistico pratico siano necessari da 100.000 a 1 milione di qubit fisici", afferma Han. "Stiamo aprendo un modo per realizzarlo, risolvendo i problemi di ridimensionamento".