Компания Intel объявила о поставке экспериментального 17-кубитного процессора, созданного на базе технологий сверхпроводимости, в нидерландский исследовательский центр QuTech, занимающийся совместно с Intel исследованиями в области квантовой физики. Новый процессор, изготовленный на производственных мощностях Intel, отличается уникальной структурой кристалла, позволяющей повысить выход годных кристаллов на пластине и добиться существенного прироста производительности.

Поставка первого процессора свидетельствует об успешном развитии совместного исследовательского проекта Intel и QuTech, в рамках которого учёные и инженеры работают над созданием компьютерных систем нового поколения на базе квантовых технологий. Кроме того, это событие подчёркивает важность исследований в области материаловедения и новых технологий производства полупроводников, открывающих дорогу для появления первых компьютеров, способных использовать все теоретические преимущества квантовых вычислений.

По сути своей, квантовые вычислительные системы представляют собой вершину развития параллельных вычислений. Этим системы способны решать сложнейшие вычислительные задачи, недоступные традиционным компьютерам. В частности, квантовые компьютеры позволяют осуществлять моделирование природных процессов в интересах специалистов по химии, материаловедению и молекулярной физике. С появлением квантовых компьютеров учёные, наконец, смогут создать катализатор для абсорбирования углекислого газа из атмосферы, сверхпроводники, способные работать при комнатной температуре, и новые лекарства от неизлечимых пока болезней.

Однако несмотря на существенный прогресс в исследованиях и активные дискуссии об успехах учёных, остаётся актуальной проблема преодоления естественных препятствий на пути создания жизнеспособных крупномасштабных квантовых систем, способных демонстрировать требуемую точность вычислений. Одним из таких препятствий является проблема производства однородных и стабильных кубитов (базовых элементов квантовых вычислительных систем).

Кубиты требуют крайне нежного обращения. Случайный шум и даже случайное наблюдение за кубитом способны привести к потере данных. Для устойчивой работы кубитов необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды — на уровне 20 миллиКельвин, что в 250 раз холоднее температуры открытого космоса. Подобный температурный режим предъявляет строжайшие требования к конструкции корпусов квантовых систем, в состав которых входят кубиты. Стремясь реализовать весь потенциал квантовых вычислительных систем, специалисты Intel из Группы исследования компонентов (CR) в Орегоне и Экспериментального производственного комплекса (ATTD) в Аризоне напряжённо работают над созданием инновационных архитектур и корпусов для выполнения уникальных требований и задач квантовых вычислительных систем.

При размере не больше десятирублёвой монеты новый 17-кубитный экспериментальный процессор обладает весьма впечатляющими возможностями:

• Новая архитектура чипа позволила добиться повышенной надёжности работы, улучшить температурные характеристики и снизить уровень радиопомех, возникающих в процессе совместной работы кубитов.
• Масштабируемая схема подключения обеспечивает расширение пропускной способности ввода/вывода от 10 до 100 раз по сравнению с традиционными микросхемами на проволочных контактах.
• Использование передовых техпроцессов, материалов и конструкционных решений позволило инженерам Intel разместить в корпусе чипа квантовые интегральные схемы, которые по своим габаритам существенно превышают аналогичные элементы традиционных кремниевых процессоров.

«Наши исследования в области квантовых технологий достигли в своём развитии важнейшего этапа, на котором наши коллеги из QuTech уже приступили к моделированию вычислительных задач для квантовых компьютеров, а специалисты Intel научились регулярно выпускать новые экспериментальные кубитные процессоры на базе наших передовых производственных мощностей, – заявил доктор Майкл Мэйберри (Michael Mayberry), корпоративный вице-президент и управляющий директор Intel Labs. – Наработки Intel в области производства микропроцессоров, управляющей электроники и создания инновационных архитектур позволяют нам существенно опережать конкурентов, задавая тон в формировании новых вычислительных парадигм, в том числе нейроморфных и квантовых вычислений».

Сотрудничество между Intel и QuTech, направленное на ускорение исследовательского процесса в области квантовых вычислений, началось в 2015 году. С этого момента партнёрам удалось добиться существенных успехов, от демонстрации работоспособных схемотехнических блоков для интегрированных криогенных CMOS систем управления и разработки технологии производства спиновых кубитов на базе 300-мм техпроцесса Intel, до создания этого уникального упаковочного решения для сверхпроводящих кубитов. Благодаря совместной работе партнёров удалось существенно сократить время от разработки конструкции и производства чипа до начала тестовых испытаний.

«Получив в своё распоряжение этот экспериментальный процессор, мы планируем сфокусировать свои усилия на решении вопросов подключения, управления и оценки производительности комплекса из нескольких сложных кубитов, объединённых в один логический кубит с алгоритмом коррекции ошибок, – отметил профессор Лео Ди Карло (Leo DiCarlo) из центра QuTech. – Эта работа позволит нам получить новый объём знаний в области квантовых вычислений, на базе которого будет построен следующий этап исследований».

Прогресс в области квантовых вычислительных систем:

Сотрудничество Intel и QuTech в области квантовых вычислений отнюдь не ограничивается разработкой и тестированием сверхпроводящих устройств на базе кубитов. В рамках совместной работы партнёры занимаются исследованиями всех аспектов квантовых вычислительных систем, от самих кубитов до программных и аппаратных архитектур для управления кубитами и квантовых приложений. Все эти элементы необходимы для преодоления пути от исследовательской лаборатории до реальных продуктов.

В отличие от конкурентов, Intel одновременно изучает сразу несколько типов кубитов. Помимо сверхпроводящих кубитов, использованных в качестве элементов этого новейшего экспериментального процессора, специалисты Intel занимаются разработкой еще одного вида кубитов — спин-кубитов в кремнии. Эти спин-кубиты напоминают одноэлектронный транзистор и во многих аспектах ведут себя аналогично традиционным транзисторам, что позволяет наладить их производство, используя схожие техпроцессы.

Благодаря выдающейся производительности и эффективности, квантовые компьютеры будущего смогут решить целый ряд важнейших проблем, однако они не смогут заменить собой традиционные вычислительные системы и другие инновационные технологии, к числу которых, в частности, относятся нейроморфные вычисления. Опираясь на принципы Закона Мура, мы должны непрерывно двигаться вперёд, изобретая новые и развивая существующие инновационные вычислительные технологии.

Intel активно выделяет ресурсы не только на исследования принципиально новых вычислительных систем, но и на развитие существующих технологий в соответствии с Законом Мура, благодаря которым мы уже совсем скоро сможем заглянуть в будущее.