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1 février 2021

par Chetan Nayak, Microsoft

L’informatique quantique offre la promesse de solutions à des problèmes auparavant insolubles, mais pour tenir cette promesse, il sera nécessaire de préserver et de manipuler les informations contenues dans les ressources les plus délicates: les états quantiques très intriqués Une chose qui rend cela si difficile est que les dispositifs quantiques doivent être installés dans un environnement extrême afin de préserver les informations quantiques, mais des signaux doivent être envoyés à chaque qubit afin de manipuler ces informations – nécessitant, par essence, une autoroute de l’information dans ce domaine. environnement extrême Ces deux problèmes doivent, en outre, être résolus à une échelle bien au-delà de celle de la technologie actuelle des dispositifs quantiques.

David Reilly de Microsoft, à la tête d’une équipe de chercheurs de Microsoft et de l’Université de Sydney, a développé une nouvelle approche à ce dernier problème Plutôt que d’utiliser un rack d’électronique à température ambiante pour générer des impulsions de tension pour contrôler les qubits dans un réfrigérateur à usage spécial dont la température de base est 20 fois plus froide que l’espace interstellaire, ils ont inventé une puce de contrôle, baptisée Gooseberry, qui se trouve à côté de l’appareil quantique. et fonctionne dans les conditions extrêmes prévalant à la base du réfrigérateur Ils ont également développé un cœur de cryo-calcul polyvalent qui fonctionne à des températures légèrement plus chaudes comparables à celles de l’espace interstellaire, ce qui peut être obtenu par immersion dans l’hélium liquide. Ce noyau effectue les calculs classiques nécessaires pour déterminer les instructions qui sont envoyées à Gooseberry qui, à son tour, fournit des impulsions de tension aux qubits Ces nouvelles technologies informatiques classiques résolvent les cauchemars d’E / S associés au contrôle de milliers de qubits

L’informatique quantique pourrait avoir un impact sur la chimie, la cryptographie et bien d’autres domaines de manière révolutionnaire Les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques ne sont pas seulement des zéros et des uns, mais des superpositions de zéros et de uns Ces unités fondamentales de calcul quantique sont appelées qubits (abréviation de bits quantiques) Combiner des qubits dans des appareils complexes et les manipuler peut ouvrir la porte à des solutions qui prendraient des vies, même pour les ordinateurs classiques les plus puissants.

Malgré la puissance de calcul potentielle inégalée des qubits, ils ont un talon d’Achille: grande instabilité Étant donné que les états quantiques sont facilement perturbés par l’environnement, les chercheurs doivent faire des efforts extraordinaires pour les protéger Cela implique de les refroidir presque à une température nulle absolue et de les isoler des perturbations extérieures, comme le bruit électrique. Par conséquent, il est nécessaire de développer un système complet, composé de nombreux composants, qui maintient un environnement régulé et stable Mais tout cela doit être accompli tout en permettant la communication avec les qubits Jusqu’à présent, cela nécessitait un enchevêtrement de câbles ressemblant à un nid d’oiseau, qui pouvait fonctionner pour un nombre limité de qubits (et peut-être même à une «échelle intermédiaire») mais pas pour les ordinateurs quantiques à grande échelle

Les chercheurs de Microsoft Quantum jouent le long jeu, en utilisant une approche holistique pour viser des ordinateurs quantiques à plus grande échelle nécessaires pour des applications à impact réel Viser cet objectif plus grand prend du temps, de la prévoyance et un engagement à regarder vers l’avenir Dans ce contexte, le défi de contrôler un grand nombre de qubits est de taille, même si les dispositifs informatiques quantiques avec des milliers de qubits sont encore des années dans le futur.

Entrez dans l’équipe de chercheurs de Microsoft et de l’Université de Sydney, dirigée par le Dr David Reilly, qui a développé une plate-forme de contrôle quantique cryogénique qui utilise des circuits CMOS spécialisés pour prendre des entrées numériques et générer de nombreux signaux de contrôle de qubit parallèles, permettant une prise en charge à plus grande échelle de milliers de qubits, un bond en avant par rapport à la technologie précédente La puce alimentant cette plate-forme, appelée Gooseberry, résout plusieurs problèmes d’E / S dans les ordinateurs quantiques en fonctionnant à 100 milliKelvin (mK) tout en dissipant une puissance suffisamment faible pour ne pas dépasser la puissance de refroidissement d’un réfrigérateur de recherche standard disponible dans le commerce à ces températures Cela évite le défi autrement insurmontable de faire passer des milliers de fils dans un réfrigérateur

Leur travail est détaillé dans un article publié dans Nature ce mois-ci, intitulé “Une interface cryogénique pour contrôler de nombreux Qubits«Ils ont également étendu cette recherche pour créer le premier cœur de cryo-calcul polyvalent du genre, un pas en avant dans la pile quantique. Cela fonctionne à environ 2 Kelvin (K), une température qui peut être atteinte en l’immergeant dans l’hélium liquide Bien que ce soit encore très froid, il est 20 fois plus chaud que les températures auxquelles la groseille à maquereau fonctionne et, par conséquent, 400 fois plus de puissance de refroidissement est disponible Avec le luxe de dissiper 400 fois plus de chaleur, le noyau est capable de faire de l’informatique générale Les deux éléments visionnaires du matériel sont des avancées critiques vers les processus informatiques quantiques à grande échelle et sont le résultat d’années de travail

Les deux puces aident à gérer la communication entre les différentes parties d’un ordinateur quantique à grande échelle et entre l’ordinateur et son utilisateur Ce sont les éléments clés d’un “système nerveux” complexe pour envoyer et recevoir des informations vers et depuis chaque qubit, mais d’une manière qui maintient un environnement froid stable, ce qui est un défi de taille pour un système commercial à grande échelle avec des dizaines de milliers de qubits ou plus L’équipe Microsoft a franchi de nombreux obstacles pour accomplir cet exploit

Les appareils informatiques quantiques sont souvent mesurés par le nombre de qubits qu’ils contiennent Cependant, tous les qubits ne sont pas créés égaux, de sorte que ces nombres de qubits sont souvent des comparaisons pommes-oranges Les chercheurs de Microsoft Quantum sont pionniers dans le développement de qubits topologiques, qui ont un haut niveau de protection contre les erreurs intégré au niveau matériel Cela réduit la surcharge nécessaire pour la correction d’erreur au niveau du logiciel et permet d’effectuer des calculs significatifs avec moins de qubits physiques

Bien que ce soit l’une des caractéristiques uniques de l’approche de Microsoft, ce n’est pas la seule Dans la pile quantique, les qubits constituent sa base Le plan quantique (au bas de la figure 1) est composé d’une série de qubits topologiques (eux-mêmes constitués de semi-conducteurs, de supraconducteurs et de diélectriques), de portes, de câbles et d’autres emballages qui aident à traiter les informations à partir de qubits bruts Les processus vitaux de communication se produisent dans la couche suivante plus élevée dans la pile (appelée «interface quantique-classique» dans la figure 1) La puce Gooseberry et le noyau cryo-compute fonctionnent ensemble pour réserver cette communication Ce dernier se trouve au bas de la partie “Classical Compute” de la pile, et Gooseberry est unique par rapport aux autres plates-formes de contrôle en ce qu’il se trouve juste avec les qubits à la même température que le plan quantique – capable de convertir des instructions classiques à partir de le cœur de cryo-calcul en signaux de tension envoyés aux qubits

Pourquoi est-ce important où se trouve la puce de groseille? C’est en partie un problème de chaleur Lorsque les fils qui relient la puce de contrôle aux qubits sont longs (comme ils le devraient si la puce de contrôle était à température ambiante), une chaleur importante peut être générée à l’intérieur du réfrigérateur. Mettre une puce de contrôle près des qubits évite ce problème Le compromis est que la puce est maintenant proche des qubits et que la chaleur générée par la puce pourrait potentiellement réchauffer les qubits. Gooseberry navigue dans ces effets concurrents en plaçant la puce de contrôle près, mais pas trop près, des qubits En mettant la groseille à maquereau dans le réfrigérateur mais isolée thermiquement des qubits, la chaleur créée par la puce est évacuée des qubits et dans la chambre de mélange (Voir la figure 2)

Placer la puce près des qubits sur le plan quantique résout un ensemble de problèmes de température mais en crée un autre Pour faire fonctionner une puce là où se trouvent les qubits, elle doit fonctionner à la même température que les qubits – 100 mK L’utilisation de puces CMOS en vrac standard à cette température est difficile, cette puce utilise donc la technologie de silicium sur isolant (FDSOI) entièrement appauvri, qui optimise le système pour un fonctionnement à des températures cryogéniques Il a une polarisation de grille arrière, avec des transistors ayant une quatrième borne qui peut être utilisée pour compenser les changements de température Ce système de transistors et de portes permet de calibrer les qubits individuellement, et les transistors envoient des tensions individualisées à chaque qubit

Un autre avantage de Gooseberry est que la puce est conçue de telle manière que les portes électriques contrôlant les qubits sont chargées à partir d’une seule source de tension qui passe à travers les portes de manière “round-robin”, en se chargeant si nécessaire Les contrôleurs de qubit précédents nécessitaient des câbles un à un provenant de plusieurs sources de tension à température ambiante ou 4K, compromettant la capacité à faire fonctionner des qubits à grande échelle Le design mis au point par le Dr L’équipe de Reilly réduit considérablement la chaleur dissipée par un tel contrôleur Les températures cryogéniques entrent également en jeu ici pour rendre cela possible – le froid extrême permet aux condensateurs de conserver leur charge plus longtemps Cela signifie que les portes doivent être chargées moins fréquemment et produire moins de chaleur et d’autres perturbations pour la stabilité du qubit

La puce Gooseberry est composée de blocs numériques et analogiques Les circuits logiques numériques couplés effectuent la communication, la mémoire de forme d’onde et le fonctionnement autonome de la puce via une machine à états finis (FSM), et la partie numérique de la puce comprend également un oscillateur maître (voir figure 3) La puce utilise également une interface périphérique série (SPI) pour une communication facile plus haut dans la pile quantique Le composant analogique de la puce est une série de cellules, appelées cellules “charge-lock fast-gate” (CLFG), qui remplissent deux fonctions Tout d’abord, la fonction de verrouillage de charge est le processus de chargement des portes, comme décrit ci-dessus La tension stockée sur chaque porte est adaptée aux qubits individuels Les informations sont traitées en qubits en changeant les tensions sur la porte, et cela se produit dans la deuxième fonction, “fast-gating”Cela crée des impulsions qui manipulent physiquement les qubits, dirigeant finalement le traitement des informations dans les qubits

La faible dissipation de puissance est un défi majeur lorsqu’il s’agit de communiquer efficacement avec les qubits via ces impulsions Il y a trois variables qui ont un impact sur la dissipation de puissance: le niveau de tension, la fréquence et la capacité La tension nécessaire dans ce cas est définie par le qubit et la fréquence est définie à la fois par le qubit et la fréquence d’horloge du plan quantique Cela laisse la capacité comme la seule variable que vous pouvez ajuster pour créer une faible dissipation de puissance lors de la charge des portes et de l’envoi d’impulsions – une faible capacité signifie une faible dissipation Les condensateurs de ce système sont minuscules, espacés rapprochés et sont très proches du plan quantique, ils nécessitent donc le moins d’énergie possible pour mélanger la charge entre les condensateurs pour communiquer avec les qubits.

Les chercheurs ont testé la puce Gooseberry pour voir comment elle fonctionnerait en la connectant à un dispositif à points quantiques (QD) basé sur GaAs Certaines des portes du dispositif à points quantiques ont été connectées à un convertisseur numérique-analogique (DAC) à température ambiante pour comparer ces résultats avec des approches de contrôle standard. La fuite de courant des cellules CLFG est mesurée par un deuxième point quantique dans l’appareil, et les mesures de la conductance QD fournissent un moyen de surveiller le processus de verrouillage de charge La température de tous les composants de la puce est mesurée lors de la mise sous tension de la puce de contrôle, révélant que la température reste inférieure à 100 mK dans la plage de fréquences ou de vitesses d’horloge nécessaire (voir figure 4) Voir l’article pour plus de détails sur le processus d’analyse comparative

En extrapolant ces résultats, les chercheurs ont estimé la puissance totale du système nécessaire pour la puce de contrôle Gooseberry en fonction de la fréquence et du nombre de portes de sortie Ces résultats prennent en compte à la fois la vitesse d’horloge et la température nécessaires pour les qubits topologiques, et la figure 5 montre que cette puce est capable de fonctionner dans les limites acceptables tout en communiquant avec des milliers de qubits Cette approche de contrôle basée sur CMOS semble également faisable pour les plates-formes de qubits basées sur des spins d’électrons ou des gatemons

Le noyau cryo-compute à usage général est un développement récent qui poursuit les progrès réalisés par Gooseberry Il s’agit d’un processeur à usage général fonctionnant à des températures cryogéniques À l’heure actuelle, le noyau fonctionne à environ 2 K, et il gère certaines manipulations de déclenchement et la gestion des données Avec moins de limitations de température, il traite également de la logique de décision de branchement, qui nécessite plus de blocs de circuits numériques et de transistors que Gooseberry. Le noyau agit comme un intermédiaire entre Gooseberry et le code exécutable qui peut être écrit par les développeurs, permettant une communication configurable par logiciel entre les qubits et le monde extérieur Cette technologie prouve qu’il est possible de compiler et d’exécuter de nombreux types de code différents (écrits sur les outils actuels) dans un environnement cryogénique, permettant de plus grandes possibilités de ce qui peut être accompli avec des qubits contrôlés par la puce Gooseberry

Il ne fait aucun doute que Gooseberry et le noyau de cryo-calcul représentent un grand pas en avant pour l’informatique quantique, et avoir ces concepts examinés par des pairs et validés par d’autres scientifiques est un autre pas en avant. Mais les chercheurs ont encore besoin de bien d’autres pas pour qu’un ordinateur quantique significatif puisse être réalisé C’est l’une des raisons pour lesquelles Microsoft a choisi de se concentrer sur le long jeu Bien qu’il puisse être intéressant de développer un aspect des ordinateurs quantiques, comme le nombre de qubits, de nombreux concepts doivent être développés au-delà des éléments fondamentaux des ordinateurs quantiques, et les chercheurs de Microsoft Quantum et de l’Université de Sydney ne le sont pas. s’arrêter avec ces résultats

Des projets comme la puce Gooseberry et le cœur de cryo-calcul prennent des années à se développer, mais ces chercheurs n’attendent pas pour mettre en mouvement de nouveaux projets quantiques L’idée est de continuer à échafauder le travail préalable avec de nouvelles idées afin que tous les composants nécessaires à l’informatique quantique à grande échelle soient en place, permettant à Microsoft de fournir des solutions à bon nombre des problèmes les plus difficiles au monde.

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Mécanique quantique, Qubit, calcul quantique

News – US – Le matériel quantique pionnier permet de contrôler jusqu’à des milliers de qubits à des températures cryogéniques
Titre associé :
Le matériel quantique novateur permet pour contrôler jusqu’à des milliers de qubits à des températures cryogéniques
Une fonctionnalité potentiellement révolutionnaire du comportement des qubits

Source: https://techxplore.com/news/2021-02-quantum-hardware-thousands-qubits-cryogenic.html

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