Horse Ridge II، تراشه كوانتومي اينتل، با بهبودهاي انقلابي معرفي شد
تاريخچه‌ي محاسبات كوانتومي شايد به كمتر از يك دهه برسد؛ اما در همين زمان كم، ايده و قدرتي انقلابي را نويد مي‌دهد كه مي‌تواند پردازش‌هاي آينده را در كسري از ثانيه انجام دهد. كامپوترهاي مبتني‌بر كوانتوم مي‌توانند عملكرد پردازشي به‌مراتب بسيار سريع‌تر و دقيق‌تري در‌مقايسه‌با كامپيوترها و ابركامپيوترهاي سنتي ارائه دهند. ايده‌ي اصلي نهفته در كامپيوترهاي كوانتومي اين است كه مي‌توان از خواص و قوانين فيزيك كوانتوم براي ذخيره‌سازي و انجام عمليات روي داده‌ها استفاده كرد.
كامپيوترهاي كوانتومي با تكيه‌بر ويژگي‌هاي كوانتوم ذرات زيراتمي، برخي محاسبات را سريع‌تر از كامپيوترهاي كلاسيك انجام مي‌دهند. در كامپيوترهاي سنتي، محاسبات پردازشي در مبناي ۲ انجام مي‌شود و هر بيت در وضعيت خاموش يا روشن قرار مي‌گيرد؛ اما واحد اطلاعات كوانتومي، كيوبيت (qbit)، با استفاده از ويژگي‌هاي مبتني‌بر كوانتوم مي‌تواند وضعيت خاموش و روشن يا هر مقداري بين آن‌ها را ارائه دهد كه به آن برهم‌نهي (Superposition) مي‌گويند.
بااين‌اوصاف، غول‌هاي تكنولوژي، ازجمله اينتل و IBM و گوگل براي دستيابي به برتري كوانتومي در حال رقابت هستند؛ زيرا بر اين باورند كه اين پردازش‌ها آينده‌ي صنعت را شكل خواهند داد. حال اينتل تراشه‌ي جديدي براي پردازش‌هاي كوانتومي رونمايي كرده است كه مي‌تواند نقش بسيار مهمي در پيشبرد اهدافش براي تأمين قدرت نسل بعدي كامپيوترهاي كوانتومي ايفا كند.
اينتل امروز در رويدادي مجازي كه در آزمايشگاهش برگزار شد، نسل دوم تراشه‌هاي كنترل محاسبات كوانتومي‌اش را معرفي كرد. اين تراشه كه با نام رمز Horse Ridge II شناخته مي‌شود، نقطه‌ي عطف ديگري براي عملي‌تر‌كردن محاسبات كوانتومي و غلبه‌بر مقياس‌پذيري محسوب مي‌شود و درواقع، نسل جديد كنترل‌كننده‌ي Horse Ridge به‌حساب مي‌آيد كه سال ۲۰۱۹ معرفي شد. تراشه‌ي جديد تيم آبي توانايي و يكپارچه‌سازي بيشتري براي كنترل كامپيوتر كوانتومي ارائه مي‌هد و هدف بلندمدت اينتل براي دستيابي به برتري كوانتومي به‌حساب مي‌آيد.
محققان اينتل براي دستيابي به بهينگي و درعين‌حال ويژگي‌هاي پايدار و جديد، اين تراشه را برمبناي سيستم-روي-تراشه مقياس پذير (به‌اختصار SOC) طراحي كرده‌اند تا در دماي برودتي كار و كنترل الكترونيك را ساده‌سازي كند و اتصالات موردنياز براي مقياس‌هاي ظريف و كار با سيستم‌هاي بزرگ محاسبات كوانتومي را فراهم كند.
گفتني است اكثر سيستم‌هاي محاسبات كوانتومي فقط در دماي نزديك به انجماد كار مي‌كنند؛ اما اينتل مي‌كوشد اين وضعيت را تغيير دهد؛ ازاين‌رو، تراشه‌ي كنترل جديد بايد صدها سيم را از بين ببرد كه داخل جعبه‌ي بسيار خنك موسوم به يخچال، كامپيوتر كوانتومي را در خود جاي داده است. به‌عبارت‌ديگر، اينتل بايد به‌جاي استفاده از محفظه‌ي يخچال و تعداد زيادي از سيستم‌هاي خنك‌سازي، به قابليت‌هاي پردازنده كنترل‌كننده‌ي جديد اتكا كند كه اين امر مي‌تواند جهشي بزرگ براي پردازش‌هاي كوانتومي محسوب شود.
درحال‌حاضر، محققان كوانتوم فقط از تعداد كمي كيوبيت يا بيت كوانتوم (واحد اندازه‌گيري) استفاده مي‌كنند كه با استفاده از سيستم‌هاي كوچك‌تر و با طراحي سفارشي، با مكانيسم‌هاي پيچيده‌ي كنترل و اتصال احاطه شده‌اند. متخصصد محاسبات كوانتومي براي استفاده به‌منظور رفع اشكالات دنياي واقعي، قبل از هر چيز به توانايي مقياس‌گذاري و كنترل هم‌زمان هزاران كيوبيت و با هماهنگي بسيار بستگي دارد. افزونبراين، افزايش تعداد كيوبيت باعث ايجاد موارد ديگري مي‌شود كه ظرفيت و عملكرد سيستم كوانتومي را به چالش مي‌كشند.
يكي از اين تأثيرات بالقوه مي‌تواند كاهش هماهنگي (وفاداري) و عملكرد كيوبيت‌ها باشد. در توسعه‌ي نسل نخست Horse Ridge، اينتل فناوري مالتي پلكسينگ را بهينه‌سازي كرده بود كه به سيستم كمك مي‌كرد مقياس و كاهش خطاهاي ناشي از تغيير فاز را ايجاد كند. تغيير فاز پديده‌اي است كه مي‌تواند هنگام كنترل بسياري از كيوبيت‌ها در فركانس‌هاي مختلف رخ دهد و به برخورد متقابل بين كيوبيت‌ها منجر شود.
مهندسان مي‌توانند فركانس‌هاي مختلفي كه در Horse Ridge استفاده مي‌شوند، با دقت تحسين‌كننده‌اي تنظيم كنند و اين موضوع به سيستم كوانتومي كمك مي‌كند كه هنگام كنترل چند كيوبيت با همان خط فركانس راديويي (RF) براي ايجاد تغيير فاز، سازگار شود و به‌طور خودكار اصلاح و باعث بهبود قابليت اطمينان دروازه (ورودي) كيوبيت مي‌شود.
نسل نخست تراشه‌ي Horse Ridge
طبق گفته‌هاي جيم كلارك، مدير سخت‌افزار كوانتوم در گروه تحقيقاتي كامپوننت‌هاي اينتل، محققان اينتل با استفاده از كنترل‌كننده‌ي دماي برودتي موسوم به Horse Ridge II، توانايي دست‌كاري و خواندن حالات كيوبيت و كنترل قابليت چندين دروازه‌ي موردنياز براي درهم‌پيچيدن چندين كيوبيت را ايجاد كرده‌اند.
در اين رويداد، اينتل به برتري تراشه و مكانيزم جديدش اشاره و به اين نكته اشاره مي‌كند كه سيستم‌هاي اوليه‌ي كوانتومي كنوني براي استفاده در دماي اتاق از لوازم الكترونيكي بسياري، ازجمله كابل‌هاي كواكسيال استفاده مي‌كنند كه به تراشه‌ي كيوبيت داخل يخچال رقيق‌شده منتقل مي‌شوند. به‌همين‌دليل، تراشه‌اي كه در تصوير بالا مي‌بينيد، با سيم‌ها و سيستم‌هاي خنك‌كننده برودتي احاطه شده است. اين روش به‌دليل ابعاد ظاهري، هزينه، مصرف برق و بار حرارتي واحد برودتي، مقادير زيادي كيوبيت را در انديشه متخصصين نمي‌گيرد و به‌نوعي آن را هدر مي‌دهد.
اينتل با استفاده از نسل نخست Horse Ridge و حذف نياز به چندين قفسه‌ي تجهيزات و هزاران سيم تعبيه‌شده در يخچال به‌منظور كاركرد ماشين كوانتومي، اولين گام مهم را براي رفع اين اشكالات برداشت. تيم آبي اين ابزارهاي حجيم را با سيستم كاملا يكپارچه (SoC) جايگزين و طراحي سيستم را ساده كرده‌اند و با استفاده از تكنيك‌هاي پيشرفته‌ي پردازش سيگنال براي تسريع زمان نصب و بهبود عملكرد كيوبيت، اين امكان را براي تيم مهندسي فراهم مي‌كند كه با هدف مقياس‌دهي مؤثر به سيستم كوانتومي، از تعداد بيشتري كيوبيت استفاده كنند.
همان‌طوركه گفته شد، تراشه‌ي Horse Ridge II برپايه‌ي همان نسل اول SoCهاي كوانتومي اينتل ساخته شده است و از قابليت توليد پالس‌هاي RF براي دست‌كاري وضعيت كيوبيت موسوم به «درايو كيوبيت» بهره مي‌گيرد. اين دو ويژگي كنترل اضافي را فراهم و زمينه‌ساز ادغام بيشتر كنترل‌هاي الكترونيكي خارجي SoC را در داخل يخچال برودتي هموار مي‌كنند. به‌عنوان مثال، خصيصه‌اي به‌نام «بازخواني كيوبيت» امكان خواندن وضعيت فعلي كيوبيت را فراهم مي‌كند. بازخواني كيوبيت ويژگي مهمي به‌حساب مي‌آيد؛ زيرا امكان تشخيص حالت كيوبيت روي تراشه را با تأخير كم و بدون ذخيره‌ي مقدار زيادي داده فراهم مي‌كند؛ بنابراين، باعث صرفه‌جويي در حافظه و قدرت مي‌شود.
ميكروكنترلر با استفاده از تكنيك‌هاي ديجيتال پردازش سيگنال، فيلتر اضافي را روي پالس‌ها اعمال و به كاهش تقابل بين كيوبيت‌ها كمك شاياني مي‌كند. ناگفته نماند اينتل Horse Ridge II را با فرايند ساخت ۲۲ نانومتري كم‌مصرف و استفاده از ترانزيستورهاي FinFET ساخته است و در دماي ۴ كلوين (منفي ۴۵۲ درجه‌ي فارنهايت) كار مي‌كنند. FinFET نوعي خاص از ترانزيستورها محسوب مي‌شود كه حالتي سه‌بُعدي دارند و به‌جاي يك گيت، از چند گيت بهره مي‌برند و كارايي بسيار گسترده‌اي به‌ارمغان مي‌آورند. به‌طور‌كلي، سيليكون چرخش كيوبيت زيربناي تلاش‌هاي كوانتومي اينتل محسوب مي‌شود و ويژگي‌هايي دارد كه مي‌تواند به آن‌ها اجازه دهد در دماي ۱ كلوين يا بيشتر كار كنند. فناوري يادشده به‌طور درخورتوجهي اشكالات خنك‌سازي سيستم كوانتومي را كاهش مي‌دهد.
اينتل قرار است فوريه‌ي ۲۰۲۱ (بهمن ۱۳۹۹)، اطلاعات تكميلي را در كنفرانس بين‌المللي مدارهاي جامد (ISSCC) ارائه دهد. بااين‌حال در كنفرانس امروز، از پيشرفت در تلفيق فوتونيك با سيليكون مقرون‌به‌صرفه و با حجم زياد خبر داد. اين پيشرفت‌ها نشان‌دهنده‌ي پيشرفت حياتي در زمينه‌ي اتصال‌هاي اپتيكال است كه به اشكالات روبه‌رشد درزمينه‌ي مقياس عملكرد ورودي و خروجي الكتريكي مي‌پردازد؛ زيرا حجم بار كاري داده‌ها به‌طور فزاينده‌اي بر ترافيك شبكه در مراكز داده غلبه مي‌كند. در رويداد يادشده، اينتل پيشرفت‌هايي درزمينه‌ي بلوك‌هاي اصلي فناوري ازجمله كوچك‌سازي و زمينه‌ساز هم‌گرايي دقيق‌تر فناوري‌هاي اپتيكال و سيليكون را نشان داد.
صنعت محاسبات به‌سرعت در حال نزديك‌شدن به محدوديت‌هاي عملي در عملكرد الكتريكي ورودي و خروجي است. ازآنجاكه تقاضاي پهناي باند براي محاسبه مركز داده دائما افزايش مي‌يابد، ورودي و خروجي‌هاي الكتريكي براي هم‌گام‌سازي مقياس‌بندي نمي‌شوند؛ درنتيجه ديواري درمقابل قدرت ورودي و خروجي را ايجاد كرده است كه به محدودشدن عمليات محاسباتي منجر مي‌شود.
اكنون اينتل براي رفع اين اشكال اميدوار است با واردكردن مستقيم ورودي و خروجي اپتيكال به سرورها و بسته‌هاي تراشه، بتواند اين سد را برطرف و به داده‌ها كمك كند مؤثرتر حركت كند. افزونبراين، اينتل پيشرفت مهمي در بلوك‌هاي سازنده‌ي مواد را نشان داد كه توليد نور، تقويت، رديابي، مدولاسيون، مدارهاي رابط مكمل نيمه‌رساناي اكسيد فلز (CMOS) و يكپارچه‌سازي بسته‌ها را شامل مي‌شود و همگي براي دستيابي به فوتونيك يكپارچه ضروري به‌حساب مي‌آيند.
نمونه اوليه‌اي كه در اين رويداد نشان داده شد، شامل اتصال فشرده فناوري‌هاي فوتونيك و CMOS است كه به‌عنوان اثبات مفهوم ادغام كامل فوتونيك نوري در آينده با سيليكون محاسبات هسته‌اي عمل مي‌كند. همچنين، اينتل تعديل‌كننده‌هاي micro-ring را به‌نمايش گذاشت كه هزار برابر كوچك‌تر از اجزاي سنتي هستند. اندازه‌ي بزرگ و هزينه‌ي تعديل‌كننده‌هاي سيليكون متداول مانعي براي واردكردن فناوري اپتيكال روي بسته‌هاي سرور است كه به ادغام صدها نسخه از اين دستگاه‌ها نياز دارند. گفتني است نتايج تركيبي به‌دست‌آمده‌ي كنوني راه را براي متخصصد گسترده‌ي فوتونيك سيليكون به‌منظور استفاده‌ي فراتر در لايه‌هاي بالاي شبكه به داخل سرور و بسته‌هاي سرور آينده هموار مي‌كند.
انديشه متخصصينات شما متخصصان اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران درباره‌ي نسل دوم تراشه‌هاي كنترل‌كننده‌ي محاسبات كوانتومي اينتل چيست؟
هم انديشي ها