Horse Ridge: il chip di controllo criogenico di Intel per il computer quantistico

Intel Labs, in collaborazione con QuTech, partnership tra TU Delft e TNO (Organizzazione olandese per la ricerca scientifica applicata), annuncia oggi le principali caratteristiche tecniche del nuovo chip di controllo criogenico per il calcolo quantistico, in occasione della International Solid State Circuits Conference 2020 di San Francisco.

Horse Ridge, questo il nome in codice del chip di controllo, rappresenta un passo avanti in direzione della costruzione di un sistema quantistico sufficientemente potente da poter essere effettivamente utilizzabile, rispettando i principi di scalabilità, flessibilità e precisione.

"Oggi i ricercatori della quantistica lavorano con un numero limitato di qubit, utilizzando sistemi più piccoli e appositamente progettati, corredati di complessi meccanismi di controllo e interconnessione. Horse Ridge di Intel riduce notevolmente questa complessità: lavorando sistematicamente per raggiungere le migliaia di qubit richieste per la praticabilità del computing quantistico, continuiamo a ottenere progressi costanti per trasformare in realtà il calcolo quantistico impiegabile commercialmente nel nostro futuro" ha commentato Jim Clarke, responsabile Quantum Hardware di Intel Labs.

Perché sia possibile nel concreto applicare il calcolo quantistico a problemi pratici è necessario riuscire a scalare e controllare allo stesso tempo migliaia di qubit con elevati livelli di precisione. A tal proposito Horse Ridge dovrebbe semplificare sensibilmente la complessa elettronica di controllo attualmente richiesta per far funzionare un tale sistema quantistico, utilizzando un SoC ad elevata integrazione per tempi di configurazione più rapidi, prestazioni migliorate dei qubit e ampliamento efficiente per il maggior numero di qubit necessario affinché il calcolo quantistico sia in grado di risolvere applicazioni pratiche del mondo reale.

Horse Ridge è pertanto un SoC integrato, basato su tecnologia CMOS FFL (FinFET Low Power) a 22 nm di Intel, e integra quattro canali a radiofrequenza (RF) in un singolo dispositivo. Ogni canale è capace di controllare fino a 32 qubit sfruttando il "multiplexing di frequenza", una tecnica che suddivide la larghezza di banda totale disponibile in una serie di bande di frequenza non sovrapposte, ciascuna delle quali viene utilizzata per trasportare un segnale separato. Sfruttando questi quattro canali diventa possibile, almeno in linea teorica, controllare fino a 128 qubit con un singolo dispositivo, riducendo sostanzialmente il numero di cavi e strumentazioni per rack finora necessari.

Incrementare il numero di qubit porta pero ad una serie di altri problemi che possono compromettere la capacità e il funzionamento di un sistema quantistico. Uno di questi problemi potenziali è il calo della precisione e delle prestazioni dei qubit. Nella fase di sviluppo di Horse Ridge, Intel ha lavorato allo scopo di ottimizzare 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.  Le varie frequenze sfruttate da Horse Ridge possono essere "sintonizzate" con alti livelli di precisione, consentendo al sistema quantistico di adattarsi e correggere automaticamente lo sfasamento quando controlla molteplici qubit con la stessa linea di radiofrequenza, migliorando la precisione del gate dei qubit.

E' interessante osservare che Horse Ridge può coprire un'ampia gamma di frequenze, consentendo il controllo sia dei qubit superconduttori (noti come transmoni) sia dei qubit di spin. I transmoni operano normalmente tra 6 e 7 GHz, mentre i qubit di spin tra 13 e 20 GHz. Intel sta esplorando qubit di spin in silicio, che hanno il potenziale di operare a temperature fino a 1 kelvin. Questa ricerca apre la strada all'integrazione dei dispositivi qubit di spin in silicio e dei controlli criogenici di Horse Ridge per creare una soluzione che offre qubit e controlli in un package semplificato.