Ichip quantistici Intel potrebbero rivoluzionare il calcolo basato su silicio. In un’intervista rilasciata a EE Times Europe, Jim Clarke, direttore del Quantum Lab di Intel, illustra l’approccio dell’azienda al calcolo quantistico e di come questa stia sfruttando la sua competenza nella progettazione avanzata basata su transistor per implementare chip qubit su wafer da 300 mm.
L’affermazione della supremazia quantistica
L’ultimo decennio ha visto un’esplosione di sforzi per sviluppare computer quantistici che potrebbero rivoluzionare i campi della fisica, medicina, biologia, intelligenza artificiale e crittografia, accelerando esponenzialmente certi ambiti computazionali. Utilizzando prototipi avanzati di computer quantistici come prove di concetto, i ricercatori hanno già dimostrato la “supremazia quantistica”, calcolando in secondi ciò che richiederebbe al supercomputer classico più veloce migliaia di anni per completare. Sebbene tali dimostrazioni segnino certamente una pietra miliare tecnologica, le attività svolte a velocità inimmaginabili non preludono necessariamente alla commercializzazione dei computer quantistici nel breve termine.
Per garantire la continua progressione della tecnologia quantistica nel prossimo decennio, sono necessari progressi nei materiali e nei processi di fabbricazione per l’hardware del calcolo quantistico, seguendo un percorso simile all’implacabile scaling della tecnologia dei transistor che ha permesso l’evoluzione del calcolo classico. In altre parole, piuttosto che concentrarsi sulla supremazia quantistica, potrebbe essere più saggio dimostrare la “praticità quantistica” – una transizione più realistica della tecnologia quantistica dal laboratorio alla disponibilità commerciale.
Ecco come Intel ha adottato questo approccio pragmatico con l’aiuto di partner industriali e accademici come il Laboratorio per le Scienze Fisiche dell’Università del Maryland.
Come funzionano i computer quantistici
Un computer digitale tradizionale codifica informazioni binarie con bit che possono essere in uno dei due stati: 0 e 1; quindi, un registro di computer a 4 bit può contenere uno qualsiasi dei 24, o 16, numeri possibili. I computer quantistici elaborano bit quantistici, o qubit, che esistono in una sovrapposizione di valori 0 e 1; quindi, ad esempio, un registro di computer a 4 qubit può gestire contemporaneamente 16 numeri diversi. Il concetto di sovrapposizione può essere facilmente visualizzato, afferma Jim Clarke, direttore del Quantum Lab di Intel. Quando lanciamo una moneta e aspettiamo che colpisca il terreno, ci aspettiamo che il risultato sia testa (stato 1) o croce (stato 2) con probabilità simili. Ora supponiamo di impartire una forza rotazionale per far girare la moneta su una superficie. Finché la moneta sta girando, è in uno stato di sovrapposizione di testa e croce. La moneta restituirà uno dei due stati solo quando smetterà di ruotare. L’analogia si ferma qui, poiché gli oggetti gestiti dai computer quantistici non sono macroscopici, ma appartengono al regno degli atomi o delle particelle come gli elettroni. La capacità di un computer quantistico di operare su molti più valori in parallelo lo rende molto più potente di un computer digitale.
Ad esempio, un computer quantistico che elabora solo 30 qubit sarebbe paragonabile a un computer digitale in grado di eseguire 10 trilioni (10 × 1012) operazioni in virgola mobile al secondo (TFLOPS). Per risolvere problemi pratici, sono necessari milioni se non miliardi di qubit, un obiettivo che può essere raggiunto sfruttando i vantaggi dell’industria matura della produzione di chip al silicio, come fa Intel. L’intreccio è la proprietà quantistica che consente a due o più qubit di diventare così fortemente correlati che lo stato di un qubit non può essere descritto indipendentemente dallo stato del suo partner. Questa interdipendenza consente la condivisione istantanea delle informazioni tra i qubit intrecciati, che a sua volta permette agli algoritmi dedicati di implementare una risoluzione dei problemi più veloce ed efficiente.
Crittografia e inferenza
Il modo in cui l’intreccio codifica le informazioni è alla base della crittografia moderna. Si possono costruire reti di trasmissione più sicure per evitare intercettazioni, poiché uno stato quantistico non può essere copiato da parti non autorizzate senza che il mittente e il destinatario lo riconoscano. L’interferenza, che può essere sia costruttiva che distruttiva, si verifica quando due o più stati quantistici vengono combinati per creare un nuovo stato. L’interferenza costruttiva aumenta la probabilità di ottenere l’output corretto, e l’interferenza distruttiva riduce la probabilità di risultati errati. I computer quantistici possono quindi esplorare rapidamente le soluzioni potenziali, convergendo sulla risposta corretta molto più velocemente dei computer classici.
Implementazione fisica dell’hardware quantistico
Diversi dispositivi, realizzati con materiali diversi, sono possibili candidati per la costruzione dell’hardware quantistico. Ecco alcune delle tecnologie prevalenti:
• I qubit superconduttori operano a temperature estremamente basse. Sono basati su circuiti superconduttori che trasportano corrente elettrica con resistenza zero e incorporano un risonatore LC non lineare (giunzione Josephson).
• Ioni intrappolati. I qubit possono essere creati intrappolando ioni utilizzando campi elettromagnetici o laser e impiegando i livelli energetici interni degli ioni come stati qubit.
• Qubit di spin al silicio. Simili ai chip di computer tradizionali, i qubit di spin al silicio sono piuttosto promettenti, grazie alla loro scalabilità e compatibilità nativa con l’esistente tecnologia semiconduttrice e le fabbriche di produzione.
• I centri di colore del diamante sono difetti specifici nei cristalli di diamante che fungono da qubit stabili. Un centro di vuoto dell’azoto (NV) – un atomo di azoto sostituzionale adiacente a un sito reticolare vuoto – è un esempio.
• I qubit protetti topologicamente sono rappresentati da particelle subatomiche esotiche e sono robusti contro certi tipi di rumore ed errori causati dalla decoerenza. La decoerenza può essere interpretata come una rottura dello stato quantico delicato di un qubit dopo un’interazione indesiderata con l’ambiente. Tale resilienza dipende dal fatto che l’informazione quantistica è memorizzata nelle proprietà topologiche del sistema (cioè globalmente) piuttosto che in quelle delle singole particelle (localmente).
Miliardi di transistor su un chip
Le tecnologie CMOS dei semiconduttori sono in grado di comprimere miliardi di transistor su un chip per computer classico prodotto da wafer da 300 mm, e Intel scommette che le stesse tecniche possono essere replicate per costruire computer quantistici su una scala sufficiente a affrontare applicazioni pratiche reali. Questo approccio è fattibile perché i qubit di spin al silicio condividono molte somiglianze con i transistor semiconduttori, che costituiscono il blocco funzionale base dei microprocessori. La piccola dimensione dei qubit di spin, circa 100 nm di diametro, li rende più densi di altri tipi di qubit, consentendo la realizzazione di computer quantistici più complessi su un singolo chip.
L’approccio di fabbricazione seguito da Intel fa uso della litografia estrema ultravioletta (EUV), la stessa attrezzatura utilizzata regolarmente oggi per la produzione di chip ad alto volume per l’industria informatica.
La realizzazione di computer quantistici tolleranti ai guasti, con milioni di qubit correttivi uniformi e coerenti, richiede processi di fabbricazione altamente affidabili che possono funzionare solo su siti di produzione wafer ben consolidati. Intel nota che spedisce wafer che incorporano circa 800 quadrilioni (800 x 1015) transistor all’anno. A questo ritmo, entro il 2025, questo valore supererà il numero collettivo delle cellule in tutti gli esseri umani sulla Terra.
Vantaggi dei qubit di spin al silicio
I transistor nella maggior parte dei chip per computer classici hanno tre terminali: gate (G), source (S) e drain (D). All’applicazione di una tensione di controllo su G, viene creato un canale elettronico che consente alla corrente di fluire tra D e S, molto simile a un interruttore. I qubit di spin presentano una struttura simile ai transistor ma con più gate. I gate barriera servono per interrompere il canale e confinare gli elettroni in una piccola isola, chiamata punto quantico. Controllando adeguatamente la tensione applicata a un altro tipo di gate, chiamato gate a stantuffo, è possibile spazzare via gli elettroni dal punto quantico fino a quando non rimane in posizione un solo elettrone (Figura 2). Lo stato di momento angolare intrinseco (o spin, uno dei numeri quantici) di questo elettrone solitario può quindi essere utilizzato come qubit.
Nella fisica classica, i corpi carichi che ruotano generano un campo magnetico. Allo stesso modo, gli elettroni mostrano proprietà magnetiche a causa del loro spin, anche se questo non corrisponde direttamente alla rotazione fisica. Lo spin dell’elettrone è quantizzato e può assumere solo due valori: ½ con orientamento verso l’alto e -½ nella direzione opposta. Uno dei due valori, spin-up o spin-down, può essere ottenuto tramite l’effetto Zeeman e rappresenta i due stati quantistici dei qubit di spin al silicio. Inoltre, controllando attentamente questo elettrone, questi due stati possono essere messi in una configurazione di sovrapposizione.
“Se abbiamo una catena di transistor a un singolo elettrone, possiamo controllare l’interazione tra gli elettroni e la sovrapposizione delle loro funzioni d’onda in modo da consentire l’intreccio tra due elettroni”, afferma Clarke. Questi sono elementi fondamentali per la costruzione di un computer quantistico.
I qubit perdono informazioni in risposta a variazioni termiche, rumore o vibrazioni
La fragilità intrinseca dei qubit rimane un problema, poiché i qubit perdono informazioni in millisecondi in risposta a variazioni termiche, rumore o vibrazioni.
Per rimediare a questo inconveniente, gli scienziati di Intel hanno collocato l’array quantistico in un frigorifero a diluizione utilizzando gli isotopi dell’elio 3He e 4He per raffreddare i dispositivi alla gamma millikelvin – 250 volte più freddo dello spazio esterno. Circuiti di controllo criogenici con cablaggi e cavi complessi assicurano il flusso di segnali dentro e fuori dal frigorifero. Sfruttando appieno le somiglianze tra i transistor e i qubit di spin al silicio, Intel afferma di poter rendere questi ultimi molto piccoli – 1 milione di volte più piccoli dei qubit superconduttori o intrappolati negli ioni – e impacchettare milioni, addirittura miliardi, su un chip delle dimensioni degli attuali microprocessori. È anche possibile utilizzare la stessa infrastruttura e attrezzature delle principali strutture di fabbricazione dei transistor in tutto il mondo con il controllo del processo necessario per garantire che i singoli qubit siano abbinati tra loro.
Chip quantistico di ricerca Intel
“Tunnel Falls è il chip qubit di spin al silicio più avanzato ad oggi di Intel e si basa su decenni di esperienza dell’azienda nella progettazione e produzione di transistor”, spiega Clarke (Figura 3).
Il chip al silicio a 12 qubit, fabbricato su wafer da 300 mm nell’impianto di fabbricazione D1 a Hillsboro, Oregon, segna il prossimo passo verso la costruzione di un sistema completo di calcolo quantistico commerciale ed è disponibile per la comunità di ricerca e accademica quantistica, che manca di macchinari per la fabbricazione ad alta produzione. Insieme all’accesso al kit di sviluppo software quantistico (QSDK) di Intel, l’accesso a Tunnel Falls costituisce uno sforzo tangibile per democratizzare la ricerca sul calcolo quantistico, afferma Clarke. Allo stesso tempo, l’utilizzo delle avanzate linee di fabbricazione CMOS consente a Intel di utilizzare tecniche innovative di controllo del processo per una migliore resa e prestazioni.
Ad esempio, Intel sostiene che il dispositivo a 12 qubit Tunnel Falls raggiunge una resa del 95% a livello wafer con uniformità della tensione simile a un processo logico CMOS, e ogni wafer fornisce più di 24.000 dispositivi quantum-dot. Ogni chip a 12 punti può formare da 4 a 12 qubit, che possono essere isolati e utilizzati in operazioni contemporaneamente, a seconda del modo in cui un laboratorio di ricerca gestisce i suoi sistemi.
Test su wafer e controllo di singoli elettroni
Sondare e testare ogni singolo dado quantistico su un wafer è un’impresa gigantesca, poiché i dispositivi qubit di spin devono essere immersi in un ambiente a bassa temperatura controllato. Come riportato in un recente articolo1 pubblicato su Nature, i ricercatori di Intel hanno sviluppato un processo di sondaggio criogenico da 300 mm per raccogliere dati ad alto volume sulle prestazioni dei chip su interi wafer, ottenendo una uniformità, fedeltà e statistiche di misurazione dei qubit di spin senza precedenti – tutti prerequisiti per la continua scalabilità e produzione. Nel contesto dell’elaborazione dei qubit, il parametro fedeltà quantifica la deviazione dello stato quantico finale dei qubit effettivi – che sono soggetti a decoerenza – dal caso ideale. I ricercatori Intel hanno scoperto che i dispositivi a singolo elettrone quantum-dot nella tecnologia CMOS raggiungono una fedeltà del 99,9%. Inoltre, lo strumento di test criogenico su wafer beneficia l’intero flusso del processo consentendo misurazioni automatizzate più estese sui wafer. I progressi nelle capacità di test consentiranno anche ai progettisti di disporre più strati per fabbricare array 2D con più qubit, secondo Intel.
Il cryo-prober può caricare e raffreddare i wafer a una temperatura di 1 K al mandrino (per tenere saldamente i wafer) e una temperatura degli elettroni vicina a 1,6 K in circa due ore. Dopodiché, migliaia di array di qubit di spin e modelli di test sono disponibili per la misurazione. I modelli di test sono strutture minuscole progettate per emulare i sottocomponenti dei dispositivi completi e aiutare a identificare e correggere difetti in specifiche fasi del processo di fabbricazione. Una resa più alta è stata ottenuta combinando processi presi in prestito dalla fabbricazione ad alto volume dei transistor, costruendo i punti quantici con una struttura planare.
In una versione ottimizzata del dispositivo, due strati sono integrati come gate passivi – uno per l’accumulo controllato della carica e l’altro per lo schermo/esaurimento della carica. Gli elettrodi del gate vengono poi isolati dall’eterostruttura da uno stack composito ad alta costante dielettrica (alta-K), mentre l’isolamento dei gate adiacenti viene ottenuto attraverso uno stack spacer. La creazione di eterostrutture (materiali stratificati con proprietà diverse) consente ai ricercatori di manipolare e regolare i livelli energetici nei punti quantici. Il materiale ospite è un’eterostruttura Si/Si0.7Ge0.3 cresciuta su wafer Si da 300 mm. Questa struttura è scelta per sfruttare la lunga durata della coerenza degli spin degli elettroni in Si e la loro applicabilità per codificare diversi qubit. Come nel caso di un processo logico CMOS, l’aumento della resa dei qubit è necessario per scalare i processori quantistici. Per valutare la resa di questo specifico flusso, i ricercatori Intel hanno testato dispositivi a 12 punti quantici (12QD) su un wafer. Hanno calcolato la resa di componenti individuali come contatti ohmici, gate, punti quantici e dispositivi 12QD completi. I risultati di questo metodo di test hanno guidato i progettisti nell’ottimizzare il processo CMOS con bassa variabilità del processo e alta resa, compatibile con ciò che ci si aspetterebbe da un nodo tecnologico all’avanguardia.
Il testing cryo-prober, con la sua capacità ad alto volume, continuerà a migliorare la qualità del processo per ridurre la variazione e il disordine, oltre a consentire uno screening delle prestazioni più efficiente. Il disordine è associato a impurità casuali nell’ambiente e causa decoerenza indotta dal rumore della carica. Nel complesso, questi risultati stabiliscono un benchmark per la scala e l’affidabilità dei dispositivi qubit di spin, in vista della preparazione di array molto più grandi e complessi in futuro.
