Intel presenta il suo chip di controllo di calcolo quantistico di seconda generazione

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Intel ha presentato oggi il suo chip di controllo quantistico di seconda generazione durante il suo evento virtuale Intel Labs. Il chip, nome in codice Horse Ridge II, è un’altra pietra miliare verso rendere l’informatica quantistica — uno dei santi graal dell’informatica — più pratico. Il nuovo prototipo si basa sul controller Horse Ridge di prima generazione introdotto nel 2019. Horse Ridge II ha più capacità e più alti livelli di integrazione per controllare un computer quantistico, che rimane un obiettivo a lungo termine per l’azienda.

All’inizio del progetto, i ricercatori di Intel hanno progettato il SOC (Scalable System-on-chip) per funzionare a temperature criogeniche, semplificando l’elettronica di controllo e le interconnessioni necessarie per scalare e gestire elegantemente grandi sistemi di calcolo quantistico. La maggior parte dei sistemi di calcolo quantistico funziona solo a temperature quasi gelide. Intel sta cercando di cambiare la situazione, ma nel frattempo, il chip di controllo elimina dover eseguire centinaia di fili in un caso refrigerato che ospita il computer quantistico.

I ricercatori quantistici stanno lavorando con solo un piccolo numero di qubit, o bit quantistici, utilizzando sistemi più piccoli, progettati su misura circondati da complessi meccanismi di controllo e interconnessione. L’applicazione del calcolo quantistico ai problemi del mondo reale si basa innanzitutto sulla capacità di scalare e controllare migliaia di qubit allo stesso tempo, con alti livelli di fedeltà.

L’aumento del numero di qubit innesca altri problemi che mettono in discussione la capacità e il funzionamento del sistema quantistico. Uno di questi potenziali impatti è un calo della fedeltà e delle prestazioni dei qubit. Nello sviluppo dell’originale Horse Ridge, Intel ha ottimizzato la tecnologia multiplexing che consente al sistema di scalare e ridurre gli errori da “sfasamento” — un fenomeno che può verificarsi quando si controllano molti qubit a frequenze diverse, con conseguente diafonia tra i qubit. Gli ingegneri possono sintonizzare varie frequenze sfruttate con Horse Ridge con alti livelli di precisione, consentendo al sistema quantistico di adattarsi e correggere automaticamente lo sfasamento quando si controllano più qubit con la stessa linea di radiofrequenza (RF), migliorando la fedeltà del gate qubit.

Con Horse Ridge II, i ricercatori di Intel hanno aggiunto la capacità di manipolare e leggere gli stati di qubit e controllare il potenziale di diverse porte necessarie per intrappolare più qubit, secondo un discorso di Jim Clarke, direttore dell’hardware quantistico nel gruppo di ricerca sui componenti di Intel.

Perché è importante

Stefano Pellerano, Principal Engineer presso Intel Labs, detiene Horse Ridge. Il nuovo chip di controllo criogenico accelererà lo sviluppo di sistemi di calcolo quantistico full-stack, segnando una pietra miliare nello sviluppo di un computer quantistico commercialmente fattibile.

Sopra: Stefano Pellerano, principal engineer presso Intel Labs, detiene l’originale Horse Ridge.

Credito immagine: Intel

Intel ha detto che i primi sistemi quantistici di oggi utilizzano elettronica a temperatura ambiente con molti cavi coassiali che vengono instradati al chip qubit all’interno di un frigorifero di diluizione. Questo è il motivo per cui il chip che vedete nell’immagine è circondato da fili e sistemi di raffreddamento criogenici. Questo approccio non scala a un gran numero di qubit a causa del fattore di forma, costo, consumo energetico e carico termico all’unità di refrigerazione. Con l’originale Horse Ridge, Intel ha fatto il primo passo per affrontare questa sfida eliminando la necessità di più rack di attrezzature e migliaia di fili che entrano e escono dal frigorifero per far funzionare la macchina quantistica. Intel ha sostituito questi strumenti ingombranti con un SoC (System-on-chip) altamente integrato che semplifica la progettazione del sistema e utilizza sofisticate tecniche di elaborazione del segnale per accelerare i tempi di installazione, migliorare le prestazioni dei qubit e consentire al team di ingegneri di scalare in modo efficiente il sistema quantistico a conteggi di qubit più grandi.

Horse Ridge II si basa sulla capacità del SoC di prima generazione di generare impulsi RF per manipolare lo stato del qubit, noto come qubit drive. Introduce due funzioni di controllo aggiuntive, aprendo la strada a un’ulteriore integrazione di controlli elettronici esterni nel SoC operativo all’interno del frigorifero criogenico.

Ad esempio, una funzionalità chiamata lettura qubit consente di leggere lo stato qubit corrente. La lettura è significativa, in quanto consente il rilevamento dello stato qubit su chip a bassa latenza senza memorizzare grandi quantità di dati, risparmiando così memoria e potenza. Intel ha aggiunto un microcontrollore programmabile all’interno del circuito integrato per consentire a Horse Ridge II di offrire livelli più elevati di flessibilità nel modo in cui vengono eseguite le tre funzioni di controllo. Il microcontrollore utilizza tecniche di elaborazione del segnale digitale per eseguire ulteriori filtri sugli impulsi, contribuendo a ridurre la diafonia tra qubit.

Intel ha costruito Horse Ridge II con un processo di produzione FinFET a bassa potenza a 22 nanometri. Funziona a una temperatura di 4 kelvin o meno 452 gradi Fahrenheit. È piuttosto freddo, solo una frazione sopra lo zero assoluto.

I qubit di spin di silicio — alla base degli sforzi quantistici di Intel — hanno proprietà che potrebbero consentire loro di operare a temperature di 1 kelvin o superiori, il che ridurrebbe significativamente le sfide della refrigerazione del sistema quantistico. Intel descriverà ulteriormente i dettagli tecnici alla Conferenza internazionale sui circuiti a stato solido (ISSCC) di febbraio 2021.

Fotonica al silicio integrata per datacenter

Sopra: Intel sta studiando la fotonica al silicio per rendere i datacenter più efficienti.

Credito immagine: Intel

Nel frattempo, Intel ha anche annunciato progressi nell’integrazione della fotonica con silicio a basso costo e ad alto volume. I progressi rappresentano progressi critici nel campo delle interconnessioni ottiche, che affrontano sfide crescenti intorno al ridimensionamento delle prestazioni degli input/output elettrici (I/O) poiché i carichi di lavoro di dati affamati di elaborazione sopraffanno sempre più il traffico di rete nei data center. Intel ha dimostrato i progressi nella tecnologia chiave blocchi di costruzione, tra cui la miniaturizzazione, aprendo la strada per una più stretta integrazione delle tecnologie ottiche e silicio.

L’industria informatica si sta rapidamente avvicinando ai limiti pratici delle prestazioni elettriche di ingresso-uscita (I/O). Poiché la domanda di larghezza di banda per l’elaborazione del datacenter continua ad aumentare, l’I/O elettrico non viene scalato per tenere il passo, risultando in un “Power wall I/O” che limita la potenza disponibile per le operazioni di elaborazione. Portando l’I / O ottico direttamente nei server e nei pacchetti di chip, Intel spera di abbattere questa barriera, consentendo ai dati di muoversi in modo più efficiente.

All’evento Intel Labs, l’azienda ha dimostrato progressi chiave nei blocchi di costruzione, che includono la generazione di luce, l’amplificazione, il rilevamento, la modulazione, i circuiti di interfaccia CMOS (Complementary Metal-oxide semiconductor) e l’integrazione dei pacchetti, tutti essenziali per ottenere la fotonica integrata. Un prototipo mostrato all’evento ha caratterizzato l’accoppiamento stretto delle tecnologie fotonica e CMOS, servendo come proof-of-concept di futura integrazione completa della fotonica ottica con il silicio di calcolo del nucleo. Intel ha anche presentato modulatori micro-ring che sono 1.000 volte più piccoli dei componenti tradizionali. Le grandi dimensioni e il costo dei modulatori al silicio convenzionali sono stati un ostacolo per portare la tecnologia ottica sui pacchetti server, che richiedono l’integrazione di centinaia di questi dispositivi. Questi risultati combinati aprono la strada all’uso esteso della fotonica al silicio oltre gli strati superiori della rete all’interno del server e sui futuri pacchetti server.

VentureBeat

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