Horse Ridge II، تراشه کوانتومی اینتل، با بهبودهای انقلابی معرفی شد

تاریخچه‌ی محاسبات کوانتومی شاید به کمتر از یک دهه برسد؛ اما در همین زمان ‌کم، ایده‌ها و قدرتی انقلابی را نوید می‌دهد که می‌تواند پردازش‌های آینده را در کسری از ثانیه انجام دهد. کامپوترهای مبتنی‌بر کوانتوم می‌توانند عملکرد پردازشی به‌مراتب بسیار سریع‌تر و دقیق‌تری در‌مقایسه‌با کامپیوترها و ابرکامپیوترهای سنتی ارائه دهند. ایده‌ی اصلی نهفته در کامپیوتر‌های کوانتومی این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد.

کامپیوترهای کوانتومی با تکیه‌بر ویژگی‌های کوانتوم ذرات زیراتمی، برخی محاسبات را سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک انجام می‌دهند. در کامپیوترهای سنتی، محاسبات پردازشی در مبنای ۲ انجام می‌شود و هر بیت در وضعیت خاموش یا روشن قرار می‌گیرد؛ اما واحد اطلاعات کوانتومی، کیوبیت (qbit)، با استفاده از ویژگی‌های مبتنی‌بر کوانتوم می‌تواند وضعیت خاموش و روشن یا هر مقداری بین آن‌ها را ارائه دهد که به آن برهم‌نهی (Superposition) می‌گویند.

بااین‌اوصاف، غول‌های تکنولوژی، از‌جمله اینتل و IBM و گوگل برای دستیابی به برتری کوانتومی در حال رقابت هستند؛ زیرا بر این باورند که این پردازش‌ها آینده‌ی صنعت را شکل خواهد داد. حال اینتل تراشه‌ی جدیدی برای پردازش‌های کوانتومی رونمایی کرده است که می‌تواند نقش بسیار مهمی در پیشبرد اهدافش برای تأمین قدرت نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی ایفا کند.

اینتل امروز در رویدادی مجازی که در آزمایشگاهش برگزار شد، نسل دوم تراشه‌های کنترل محاسبات کوانتومی‌اش را معرفی کرد. این تراشه که با نام رمز Horse Ridge II شناخته می‌شود، نقطه‌ی عطف دیگری برای عملی‌تر‌کردن محاسبات کوانتومی و غلبه‌بر مقیاس‌پذیری محسوب می‌شود و درواقع، نسل جدید کنترل‌کننده‌ی Horse Ridge به‌حساب می‌آید که سال ۲۰۱۹ معرفی شد. تراشه‌ی جدید تیم آبی توانایی و یکپارچه‌سازی بیشتری برای کنترل کامپیوتر کوانتومی ارائه می‌هد و هدف بلندمدت اینتل برای دستیابی به برتری کوانتومی به‌حساب می‌آید.

محققان اینتل برای دستیابی به بهینگی و درعین‌حال ویژگی‌های پایدار و جدید، این تراشه را برمبنای سیستم-روی-تراشه مقیاس پذیر (به‌اختصار SOC) طراحی کرده‌اند تا در دمای برودتی کار و کنترل الکترونیک را ساده‌سازی کند و اتصالات موردنیاز برای مقیاس‌های ظریف و کار با سیستم‌های بزرگ محاسبات کوانتومی را فراهم کند.

گفتنی است اکثر سیستم‌های محاسبات کوانتومی فقط در دمای نزدیک به انجماد کار می‌کنند؛ اما اینتل می‌کوشد این وضعیت را تغییر دهد؛ ازاین‌رو، تراشه‌ی کنترل‌ جدید باید صدها سیم را از بین ببرد که داخل جعبه‌ی بسیار خنک موسوم به یخچال، کامپیوتر کوانتومی را در خود جای داده است. به‌عبارت‌دیگر، اینتل باید به‌جای استفاده از محفظه‌ی یخچال و تعداد زیادی از سیستم‌های خنک‌سازی، به قابلیت‌های پردازنده کنترل‌کننده‌ی جدید اتکا کند که این امر می‌تواند جهشی بزرگ برای پردازش‌های کوانتومی محسوب شود.

درحال‌حاضر، محققان کوانتوم فقط از تعداد کمی کیوبیت یا بیت کوانتوم (واحد اندازه‌گیری) استفاده می‌کنند که با استفاده از سیستم‌های کوچک‌تر و با طراحی سفارشی، با مکانیسم‌های پیچیده‌ی کنترل و اتصال احاطه شده‌اند. کاربرد محاسبات کوانتومی برای استفاده به‌منظور رفع مشکلات دنیای واقعی، قبل از هر چیز به توانایی مقیاس‌گذاری و کنترل هم‌زمان هزاران کیوبیت و با هماهنگی بسیار بستگی دارد. افزون‌براین، افزایش تعداد کیوبیت باعث ایجاد موارد دیگری می‌شود که ظرفیت و عملکرد سیستم کوانتومی را به چالش می‌کشند.

یکی از این تأثیرات بالقوه می‌تواند کاهش هماهنگی (وفاداری) و عملکرد کیوبیت‌ها باشد. در توسعه‌ی نسل نخست Horse Ridge، اینتل فناوری مالتی پلکسینگ را بهینه‌سازی کرده بود که به سیستم کمک می‌کرد مقیاس و کاهش خطاهای ناشی از تغییر فاز را ایجاد کند. تغییر فاز پدیده‌ای است که می‌تواند هنگام کنترل بسیاری از کیوبیت‌ها در فرکانس‌های مختلف رخ دهد و به برخورد متقابل بین کیوبیت‌ها منجر شود.

مهندسان می‌توانند فرکانس‌های مختلفی که در Horse Ridge استفاده می‌شوند، با دقت تحسین‌کننده‌ای تنظیم کنند و این موضوع به سیستم کوانتومی کمک می‌کند هنگام کنترل چند کیوبیت با همان خط فرکانس رادیویی (RF) برای ایجاد تغییر فاز، با آن سازگار می‌شود و به‌طور خودکار اصلاح و باعث بهبود قابلیت اطمینان دروازه (ورودی) کیوبیت می‌شود.

^{نسل نخست تراشه‌ی Horse Ridge} 

طبق گفته‌های جیم کلارک، مدیر سخت‌افزار کوانتوم در گروه تحقیقاتی کامپوننت‌های اینتل، محققان اینتل با استفاده از کنترل‌کننده‌ی دمای برودتی موسوم به Horse Ridge II، توانایی دست‌کاری و خواندن حالات کیوبیت و کنترل قابلیت چندین دروازه‌ی موردنیاز برای درهم‌پیچیدن چندین کیوبیت را ایجاد کرده‌اند.

در این رویداد، اینتل به برتری تراشه و مکانیزم جدیدش اشاره و به این نکته اشاره می‌کند که سیستم‌های اولیه‌ی کوانتومی کنونی برای استفاده در دمای اتاق از لوازم الکترونیکی بسیاری، ازجمله کابل‌های کواکسیال استفاده می‌کنند که به تراشه‌ی کیوبیت داخل یخچال رقیق‌شده منتقل می‌شوند. به‌همین‌دلیل، تراشه‌ای که در تصویر بالا می‌بینید، با سیم‌ها و سیستم‌های خنک‌کننده برودتی احاطه شده است. این روش به‌دلیل ابعاد ظاهری، هزینه، مصرف برق و بار حرارتی واحد برودتی، مقادیر زیادی کیوبیت را در نظر نمی‌گیرد و به‌نوعی آن را هدر می‌دهد.

اینتل با استفاده از نسل نخست Horse Ridge و حذف نیاز به چندین قفسه‌ی تجهیزات و هزاران سیم تعبیه‌شده در یخچال به‌منظور کارکرد ماشین کوانتومی، اولین گام مهم را برای رفع این مشکلات برداشت. تیم آبی این ابزارهای حجیم را با سیستم کاملا یکپارچه (SoC) جایگزین و طراحی سیستم را ساده کرده‌اند و با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته‌ی پردازش سیگنال برای تسریع زمان نصب و بهبود عملکرد کیوبیت، این امکان را برای تیم مهندسی فراهم می‌کند که با هدف مقیاس‌دهی مؤثر به سیستم کوانتومی، از تعداد بیشتری کیوبیت استفاده کنند.

همان‌طورکه گفته شد، تراشه‌ی Horse Ridge II برپایه‌ی همان نسل اول SoC‌های کوانتومی اینتل ساخته شده است و از قابلیت تولید پالس‌های RF برای دست‌کاری وضعیت کیوبیت موسوم به «درایو کیوبیت» بهره می‌گیرد. این دو ویژگی کنترل اضافی را فراهم و زمینه‌ساز ادغام بیشتر کنترل‌های الکترونیکی خارجی SoC را در داخل یخچال برودتی هموار می‌کنند. به‌عنوان مثال، خصیصه‌ای به‌نام «بازخوانی کیوبیت» امکان خواندن وضعیت فعلی کیوبیت را فراهم می‌کند. بازخوانی کیوبیت ویژگی مهمی به‌حساب می‌آید؛ زیرا امکان تشخیص حالت کیوبیت روی تراشه را با تأخیر کم و بدون ذخیره‌ی مقدار زیادی داده فراهم می‌کند؛ بنابراین، باعث صرفه‌جویی در حافظه و قدرت می‌شود.

میکروکنترلر با استفاده از تکنیک‌های دیجیتال پردازش سیگنال، فیلتر اضافی را روی پالس‌ها اعمال و به کاهش تقابل بین کیوبیت‌ها کمک شایانی می‌کند. ناگفته نماند اینتل Horse Ridge II را با فرایند ساخت ۲۲ نانومتری کم‌مصرف و استفاده از ترانزیستورهای FinFET ساخته است و در دمای ۴ کلوین (منفی ۴۵۲ درجه‌ی فارنهایت) کار می‌کنند. FinFET نوعی خاص از ترانزیستورها محسوب می‌شود که حالتی سه‌بُعدی دارند و به‌جای یک گیت، از چند گیت بهره می‌برند و کارایی بسیار گسترده‌ای به‌ارمغان می‌آورند. به‌طور‌کلی، سیلیکون چرخش کیوبیت زیربنای تلاش‌های کوانتومی اینتل محسوب می‌شود و ویژگی‌هایی دارد که می‌تواند به آن‌ها اجازه دهد در دمای ۱ کلوین یا بیشتر کار کنند. فناوری یادشده به‌طور درخورتوجهی مشکلات خنک‌سازی سیستم کوانتومی را کاهش می‌دهد.

اینتل قرار است فوریه‌ی ۲۰۲۱ (بهمن ۱۳۹۹)،  اطلاعات تکمیلی را در کنفرانس بین‌المللی مدارهای جامد (ISSCC) ارائه دهد. بااین‌حال در کنفرانس امروز، از پیشرفت در تلفیق فوتونیک با سیلیکون مقرون‌به‌صرفه و با حجم زیاد خبر داد. این پیشرفت‌ها نشان‌دهنده‌ی پیشرفت حیاتی در زمینه‌ی اتصال‌های اپتیکال است که به مشکلات روبه‌رشد درزمینه‌ی مقیاس عملکرد ورودی و خروجی الکتریکی می‌پردازد؛ زیرا حجم بار کاری داده‌ها به‌طور فزاینده‌ای بر ترافیک شبکه در مراکز داده غلبه می‌کند. در رویداد یادشده، اینتل پیشرفت‌هایی درزمینه‌ی بلوک‌های اصلی فناوری از‌جمله کوچک‌سازی و زمینه‌ساز هم‌گرایی دقیق‌تر فناوری‌های اپتیکال و سیلیکون را نشان داد.

صنعت محاسبات به‌سرعت در حال نزدیک‌شدن به محدودیت‌های عملی در عملکرد الکتریکی ورودی‌ و خروجی است. ازآنجاکه تقاضای پهنای باند برای محاسبه مرکز داده دائما افزایش می‌یابد، ورودی و خروجی‌های الکتریکی برای هم‌گام‌سازی مقیاس‌بندی نمی‌شوند؛ درنتیجه دیواری درمقابل قدرت ورودی و خروجی را ایجاد کرده است که به محدودشدن عملیات محاسباتی منجر می‌شود.

اکنون اینتل برای رفع این مشکل امیدوار است با واردکردن مستقیم ورودی و خروجی اپتیکال به سرورها و بسته‌های تراشه، بتواند این سد را برطرف و به داده‌ها کمک کند مؤثرتر حرکت کند. افزون‌بر‌این، اینتل پیشرفت مهمی در بلوک‌های سازنده‌ی مواد را نشان داد که تولید نور، تقویت، ردیابی، مدولاسیون، مدارهای رابط مکمل نیمه‌رسانای اکسید فلز (CMOS) و یکپارچه‌سازی بسته‌ها را شامل می‌شود و همگی برای دستیابی به فوتونیک یکپارچه ضروری به‌حساب می‌آیند.

نمونه اولیه‌ای که در این رویداد نشان داده شد، شامل اتصال فشرده فناوری‌های فوتونیک و CMOS است که به‌عنوان اثبات مفهوم ادغام کامل فوتونیک نوری در آینده با سیلیکون محاسبات هسته‌ای عمل می‌کند. همچنین، اینتل تعدیل‌کننده‌های micro-ring را به‌نمایش گذاشت که هزار برابر کوچک‌تر از اجزای سنتی هستند. اندازه‌ی بزرگ و هزینه‌ی تعدیل‌کننده‌های سیلیکون متداول مانعی برای واردکردن فناوری اپتیکال روی بسته‌های سرور است که به ادغام صدها نسخه از این دستگاه‌ها نیاز دارند. گفتنی است نتایج ترکیبی به‌دست‌آمده‌ی کنونی راه را برای کاربرد گسترده‌ی فوتونیک سیلیکون به‌منظور استفاده‌ی فراتر در لایه‌های بالای شبکه به داخل سرور و بسته‌های سرور آینده هموار می‌کند.

دیدگاه شما کاربران زومیت درباره‌ی نسل دوم تراشه‌های کنترل‌کننده‌ی محاسبات کوانتومی اینتل چیست؟