Хладилници и кабели спъват устрема на квантовите компютри

Новите изчислителни машини не могат да използват голяма част от наличната инфраструктура, а вместо това се нуждаят от екзотичен хардуер (източник: CC0 Public Domain)

Квантовите компютри ще осигурят следващия голям скок напред в изчислителната техника. Ала изследователите, които ги изграждат, имат трудности да ги построят – най-вече заради екзотичните компоненти, от които се нуждаят.

Блейк Джонсън прекарва много време в мислене за неща като свръхпроводящи кабели и свръхохлаждащи хладилници. Като вицепрезидент по квантовия инженеринг в Rigetti Computing – стартъп, който произвежда квантови компютри, Джонсън е отговорен за намирането и придобиването на компонентите, необходими за сглобяване на машините. Но това е нелека задача.

Предизвикателството е в това, че някога екзотичната, експериментална технология сега започва да се разгръща, за да се превърне в основна технология. Водеща роля в този процес имат големи компании като американската IBM, японската Fujitsu, китайската Alibaba, както и амбициозни новостартиращи компании като Rigetti и IonQ. В резултат на това търсенето нараства много по-бързо от предлагането, поне в някои критични области.

Например, може да са нужни много месеци – а понякога и година или повече – да се намерят специализирани хладилници на база разреждане, които могат да охлаждат до температури, по-ниски от тези на студа в космоса. Този хлад обаче е необходим, за да се създадат квантовите битове – или кюбити, които са ключът към мощността на квантовите компютри.

Друга спънка, казва Джонсън, цитиран от MIT Rechnology Review, е специализираното окабеляване. То е необходимо за предаване на микровълнови сигнали, които управляват кюбитите.

Дългите периоди време, необходими за придобиване на някои компоненти, възпрепятстват напредъка. „Това забавя способността на екипите да работят паралелно с научните изследвания в тази област“, казва Ирфан Сидики, професор в Калифорнийския университет в Бъркли.

Екзотична технология

Една голяма причина за главоболията идва от това, че квантовите компютри не могат да използват голяма част от инфраструктурата, разработена за класическите изчислителни машини. „Те се основават на екзотични принципи, а това означава, че имат наистина екзотичен хардуер”, отбелязва Крис Монро, професор в Университета на Мериленд и изпълнителен директор на IonQ.

За разлика от класическите битове, които могат да представляват или 1 или 0, кюбитите са частици – като атоми или електрони – които могат да заемат квантово състояние както на единица, така и на нула 0 едновременно, приемайки определена стойност само когато се измерват. Те могат и да си влияят една на друга.

Тези техни свойства някой ден могат да родят квантова машина, която да победи дори най-мощния класически суперкомпютър. Но производството и управлението на кюбитите все още е огромно инженерно предизвикателство.

Rigetti, подобно на Google и IBM, се фокусира върху използването на електрони, преминаващи през свръхпроводящите проводници, охладени до екстремно ниски температури – което обяснява нуждата от разреждащите хладилници. Тези огромни цилиндри могат да струват между 500 000 и 1 милион долара. Те се правят само по поръчка. На всичкото отгоре изследователите казват, че само няколко компании, като BlueFors във Финландия и Oxford Instruments във Великобритания, произвеждат висококачествени хладилници от този вид.

Освен това хладилниците изискват комбинация от газове за свръхохлаждане, включително хелий-3 – изотоп на хелия, за който Джонсън казва, че е „мъчително трудно“ да се намери. Обикновено това е страничен продукт от програмите за ядрени изследвания и оръжия, управлявани от правителства, които строго контролират наличността. Газът е толкова рядък, че може да струва до 40 000 долара за количеството, необходимо за един хладилник.

Кабелни неволи

Следващо по ред предизвикателство са онези свръхпроводящи кабели, които носят сигналите, използвани за управление на кюбитите. Те са специално проектирани да провеждат много малко топлина, така че да не накърняват деликатното квантово състояние на кюбитите вътре в хладилника. Джонсън казва, че само един основен производител ги доставя – японска компания, наречена Coax Co.

Квантовите компютри могат да бъдат изградени по други начини, които не разчитат на криогеника, но те се сблъскват с други, собствени предизвикателства. Компанията на Монро например улавя отделни атоми в електромагнитни полета върху силициев чип в камера с ултра-силен вакуум. След това се използват лазери за контрол на атомните кюбити.

За да заработи този процес, чипът трябва да има малки количества злато отгоре. Но стандартните заводи за производство на силиций нямат готовност да се справят с такива специализирани изисквания.

Сидики от Бъркли казва, че използва речите на конференции като DesignCon, голямо събитие на електронната индустрия в Силициевата долина, за да насърчава повече компании да проявят интерес към квантовата индустрия. САЩ и Европа имат мащабни планове за развитие на квантовата наука и това също може да стимулира повече активност сред потенциалните доставчици.

Стартиращите фирми също могат да помогнат. Една млада компания в Холандия на име Delft Circuits, например, разработва технология за наблюдение и контрол на кюбитите, включително някои специализирани кабели за пренос на микровълнови сигнали.

Якоб Каммубер, неин главен технологичен директор, казва, че докато квантовите компютри се разгръщат дотолкова, че могат да управляват около 100 кюбита днес, този брой ще скочи драстично, за да станат машините наистина полезни. Тогава ще са необходими още повече иновативни хардуерни решения, за да се контролират и управляват тези нови системи.