2ª Generación de Intel Horse Ridge, chip criogénico cuántico

Horse Ridge II es la segunda generación del chip de control cuántico de Intel, que ofrece al refrigerador criogénico funciones de control clave para el funcionamiento de la computación cuántica. Este acerca al máximo los propios qubits, que son el alma de los ordenadores cuánticos. De una manera sencilla, la solución presentada ayuda a lidiar con el complejo cableado de control de los sistemas cuánticos.

Durante los Intel Labs Day, la compañía ha presentado Horse Ridge II, la segunda generación de su chip de control criogénico, marcando así otro hito en el progreso hacia la superación de la escalabilidad, uno de los mayores obstáculos de la informática cuántica. Basándose en las innovaciones de la primera generación del controlador Horse Ridge, presentado en 2019, Horse Ridge II admite capacidades mejoradas y niveles más altos de integración para un control elegante del sistema cuántico. Las nuevas características incluyen la capacidad de manipular y leer los estados de bit cuántico, y de controlar el potencial de varias puertas necesarias para enlazar múltiples bits cuánticos.

“Con Horse Ridge II, Intel continúa liderando la innovación en el campo de los controles criogénicos cuánticos, aprovechando nuestra profunda experiencia interdisciplinaria en los equipos de diseño de circuitos integrados, laboratorios y desarrollo tecnológico. Creemos que aumentar el número de bits cuánticos sin abordar las complejidades de cableado resultantes es como tener un coche deportivo, pero estar constantemente atascado en el tráfico. Horse Ridge II agiliza aún más los controles de los circuitos cuánticos, y esperamos que este progreso ofrezca una mayor fidelidad y una menor potencia de salida, lo que nos acerca un paso más al desarrollo de un circuito cuántico integrado “libre de tráfico”.” 

– Jim Clarke, Director de Hardware Cuántico, Grupo de Investigación de Componentes, Intel

Por qué importa: Los primeros sistemas cuánticos de hoy en día utilizan electrónica a temperatura ambiente con muchos cables coaxiales que se dirigen al chip bit cuántico dentro de un refrigerador de dilución. Este enfoque no se escala a un gran número de bits cuánticos debido a cuestiones como el factor de forma, el precio, el consumo de energía y la carga térmica del refrigerador. Con el Horse Ridge original, Intel dio el primer paso para abordar este desafío simplificando radicalmente la necesidad de disponer de múltiples bastidores y miles de cables que entran y salen del refrigerador para operar la máquina cuántica. En su lugar, Intel reemplazó estos materiales voluminosos con un sistema en chip (SoC, por sus siglas en inglés) altamente integrado, que simplifica el diseño del sistema y utiliza técnicas sofisticadas de procesamiento de señales para acelerar el tiempo de configuración, mejorar el rendimiento de los bits cuánticos y permitir al equipo de ingeniería escalar eficientemente el sistema cuántico a un mayor número de bits cuánticos.

Nuevas características: Horse Ridge II se basa en la capacidad de la primera generación de SoC para generar pulsos de radiofrecuencia que manipulan el estado del bit cuántico, conocido como bit cuántico drive. De este modo, introduce dos características de control adicionales, preparando el camino para una mayor integración de los controles electrónicos externos en el SoC que operan dentro del refrigerador criogénico.

Las nuevas características permiten:

Lectura de bits cuánticos: esta función otorga la capacidad de leer el estado actual del bit cuántico. La lectura es significativa, ya que permite la detección del estado del bit cuántico en el chip, de baja latencia y sin almacenar grandes cantidades de datos, ahorrando así memoria y energía.
Pulsos multipuerta: la capacidad de controlar simultáneamente el potencial de muchas puertas del bit cuántico es fundamental para una lectura efectiva de bit cuántico y el enredo y funcionamiento de múltiples bits cuánticos, preparando el camino hacia un sistema más escalable.

La inclusión de un microcontrolador programable en el circuito integrado permite a Horse Ridge II ofrecer mayores niveles de flexibilidad y controles sofisticados en la forma en la cual se efectúan las tres funciones de control. El microcontrolador utiliza técnicas de procesamiento de señales digitales para realizar un filtrado adicional de los pulsos, ayudando a reducir la interferencia entre los bits cuánticos.

Horse Ridge II se implementa utilizando la tecnología FinFET, un transistor que se compone de una fuente, un contacto de drenaje y una puerta para controlar el paso de la corriente, de baja potencia de Intel® 22nm (22FFL) y su funcionalidad ha sido verificada a 4 kelvin. Hoy en día, un ordenador cuántico funciona en el rango de los milikelvin, sólo una fracción de grado por encima del cero absoluto. Pero los bits cuánticos de rotación de silicio (la base de los esfuerzos cuánticos de Intel) tienen propiedades que podrían operar a temperaturas de 1 kelvin o más, lo que reduciría significativamente los desafíos de refrigerar el sistema cuántico.

La investigación de control criogénico de Intel se centra en lograr el mismo nivel de temperatura operacional tanto para los controles como para los bits cuánticos de rotación de silicio. Los avances en curso en esta área, como se ha demostrado con Horse Ridge II, representan un progreso sobre los enfoques actuales basados en la fuerza bruta para escalar las interconexiones cuánticas, y son un elemento crítico de la visión de practicidad cuántica a largo plazo de la compañía.

¿Qué es lo próximo?: Intel presentará más detalles técnicos sobre esta investigación durante la International Solid-State Circuits Conference (ISSCC, por sus siglas en inglés) en febrero del 2021.