Sfinansowane ze środków UE. Wyrażone poglądy i opinie są jedynie opiniami autora lub autorów i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy i opinie Unii Europejskiej lub Europejskiej Agencji Wykonawczej ds. Edukacji i Kultury (EACEA). Unia Europejska ani EACEA nie ponoszą za nie odpowiedzialności.
Millenion
Millenion – Modular Industrial Large-scaLE quaNtum computing with trapped IONs
W TRAKCIE REALIZACJIPrzyspieszamy rozwój europejskich komputerów kwantowych dzięki wyspecjalizowanej elektronice do sterowania procesorami kwantowymi na pułapkach jonowych. Nasze rozwiązania realizujemy w ramach europejskiego programu Quantum Flagship, który ma zapewnić Europie czołowe miejsce w drugiej rewolucji kwantowej. We are quantum-ready!
Komputery kwantowe
Komputery kwantowe otworzą drzwi do zupełnie nowych zastosowań, których jeszcze nie potrafimy w pełni sobie wyobrazić. Ale już dziś wiadomo, że ich rozwój umożliwi m.in. szybsze opracowywanie nowych rewolucyjnych leków, zoptymalizuje złożone procesy (np. logistyczne) i przyspieszy rozwój sztucznej inteligencji.
Wielkie amerykańskie firmy technologiczne pracują nad własnymi komputerami kwantowymi od końca XX wieku. Jednak zainteresowanie tymi rozwiązaniami nabrało tempa ok. dekadę temu, i to na różnych szerokościach geograficznych. To oczywiste, że Europa nie może pozostać w tyle. Odpowiedź na to wyzwanie stanowi Quantum Flagship – inicjatywa Unii Europejskiej o potężnym budżecie w wysokości miliarda euro, której celem jest umieszczenie Europy na czele drugiej rewolucji kwantowej.
W ramach tego programu powołano kilka ogromnych projektów związanych z technologiami kwantowymi. Kluczowym z nich jest właśnie Millenion. Cel? Rozwój skalowalnych komputerów kwantowych opartych na uwięzionych jonach, z ambicją osiągnięcia 1000 kubitów do końca obecnej dekady. (Dla porównania: większość obecnych komputerów kwantowych ma od 50 do 500 kubitów).
Millenion zmierzy się z kluczowymi wyzwaniami, przed którymi stoją komputery kwantowe na drodze od laboratorium do skali przemysłowej (o czym piszemy więcej poniżej). W projekcie bierze udział 14 partnerów akademickich i przemysłowych, w tym my – Creotech Quantum S.A.
Rola Creotech Quantum w projekcie Millenion
Istnieje wiele sposobów na zbudowanie komputera kwantowego. Jednym z popularniejszych jest wykorzystanie bardzo dobrze wyizolowanych jonów – pojedynczych atomów naładowanych dodatnio. W naturalnych warunkach atomy łączą się, tworząc cząsteczki lub materię. Pojedynczo występujący atom w przyrodzie jest ogromną rzadkością. A to właśnie na nim nam zależy. Dlaczego? Pojedynczy jon (czyli atom z ładunkiem elektrycznym) w komputerach kwantowych pełni funkcję kubitu, czyli podstawowej jednostki informacji kwantowej.
Należy zauważyć, że jest to kubit idealny – wszystkie jony danego pierwiastka są identyczne, w przeciwieństwie do np. technologii kubitów nadprzewodzących, gdzie „stany kwantowe” są realizowane przez prądy i napięcia w tym obwodzie, a nie przez pojedyncze jony. Kubity bazujące na jonach znane są z wyjątkowo niskich błędów – tzw. wierność przekracza w najlepszych implementacjach 99,9999%. Dla porównania: kubity nadprzewodzące rzadko kiedy przekraczają wierność 99,9%. A to oznacza zupełnie inne możliwości w realizacji złożonych algorytmów. Wierność na poziomie sześciu dziewiątek pozwala wykonać setki operacji, podczas gdy trzy dziewiątki umożliwiają zaledwie kilka, zanim błędy staną się nieakceptowalne. Dlatego też komputer kwantowy na 20 jonach może mieć znacznie większą moc obliczeniową (tzw. quantum volume) niż 100-kubitowy odpowiednik na obwodach nadprzewodzących.
Aby zapewnić wysoką wierność działania, atomy muszą zostać odpowiednio wyizolowane, unieruchomione i precyzyjnie ustawione. W tym celu są spowalniane i „schładzane” – elektrycznie oraz optycznie – a następnie dokładnie kontrolowane. Dzięki temu kubity działają stabilnie i wykonują obliczenia zgodnie z planem.
Klasyczne komputery kwantowe w technologii pułapek jonowych zapewniają do ok. 20 użytecznych kubitów w łańcuchu pułapki. Większa liczba jonów pogarsza stopień splątania pierwszego z ostatnim, co zwiększa błędy obliczeniowe. Aby zwiększać liczbę kubitów, trzeba łączyć miniaturowe pułapki jonowe w większe podsystemy – podobnie jak wiele rdzeni w klasycznych procesorach. W komputerach kwantowych nie można jednak przesyłać informacji zwykłymi przewodami, ponieważ jest ona zapisana w stanie kwantowym kubita. Dlatego kubit musi zostać fizycznie przeniesiony między pułapkami, aby przekazać informację dalej.
Kontrolowanie pozycji jonów w przestrzeni oraz ich przesuwania wykonuje nasz podsystem kontroli transportu (shuttling control subsystem). To elektroniczny system sterowania w czasie rzeczywistym, dostarczający napięcia stałe i sygnały sterujące (przebiegi) niezbędne do utrzymywania i transportu jonów. W skład podsystemu wchodzą m.in. projektowany od podstaw układ scalony ASIC, źródła sygnałów sterujących, wzmacniacze wysokonapięciowe oraz filtry ograniczające szumy.
W Creotech Quantum projektujemy elektronikę dopasowaną do potrzeb Klienta. W ramach projektu Millenion naszym zadaniem jest stworzenie systemu obsługującego bardzo dużą liczbę jonów, w końcu celem inicjatywy jest 1000-kubitowy komputer kwantowy! Wymaga to sterowania tysiącami kanałów elektronicznych z ogromną precyzją. Dodatkowym wyzwaniem są ekstremalne warunki pracy: temperatura 4 K, ograniczona przestrzeń, szybkie zmiany pozycji jonów oraz konieczność minimalizacji zakłóceń i szumów.
To właśnie do nas należy wykonanie wymagającej wyspecjalizowanej elektroniki, niezbędnej do zbudowania komputera kwantowego – precyzyjnej, szybkiej i niezawodnej.
Konsorcjanci:
Universität Innsbruck, Alpine Quantum Technologies, Eviden, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Jülich Forschungszentrum, Freie Universität Berlin, Kiutra, Leibniz-Rechenzentrum, QuiX Quantum, Technische Universität München, TOPTICA, Leibniz Universitat Hannover, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Finansowanie:
Wartość całego projektu:
199 805 553,70 euro
Kwota dofinansowania projektu:
2 209 803,75 euro
Czas trwania projektu:
1.02.23-31.08.26
Strona projektu:
www.millenion.eu
Wyzwania w projekcie Millenion
Skalowanie systemów procesorów kwantowych wiąże się z wieloma wyzwaniami, ponieważ wraz ze wzrostem liczby kubitów rośnie również cała infrastruktura potrzebna do ich obsługi. Każdy element systemu niesie ze sobą realne trudności techniczne. Kontrola transportu jonów wymaga sygnałów elektrycznych przechodzących przez hermetyczną obudowę kriostatu. Następnie przewody muszą zostać schłodzone do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. To komplikuje projekt i zwiększa wymagania systemu chłodzenia. Wraz ze wzrostem liczby sygnałów sterujących rośnie również ryzyko przesłuchów pomiędzy nimi, co może prowadzić do błędów w sterowaniu jonami. Co więcej, dodatkowe źródła zakłóceń elektrycznych i termicznych wpływają na koherencję kubitów.
Innymi słowy: im więcej kubitów, tym trudniej utrzymać stabilne warunki pracy i czystość sygnałów, a to bezpośrednio przekłada się na jakość i niezawodność obliczeń kwantowych.
Aby rozwiązać ten problem, projektujemy wyspecjalizowany układ scalony, który zostanie umieszczony w pobliżu pułapki jonowej w temperaturze kilku Kelwinów. Jego zadaniem jest generowanie wysokonapięciowych sygnałów sterujących. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe będzie wyprowadzenie większej liczby sygnałów sterujących do pułapek przy zachowaniu tej samej liczby przepustów i połączeń od zewnętrza kriostatu (systemu sterowania) do procesora kwantowego. Jest to rozwiązanie nowatorskie i – z dużym prawdopodobieństwem – bez komercyjnie dostępnego odpowiednika. Układ projektujemy i testujemy od podstaw w laboratoriach Creotech Quantum S.A.
Nadal kluczowe jest ograniczanie szumów, ponieważ nawet niewielkie zakłócenia elektryczne mogą podnieść temperaturę jonów i zaburzyć koherencję kubitów. Dlatego opracowujemy system sterowania oparty na technologii FPGA, wielokanałowe źródła sygnałów, niskoszumne wzmacniacze wysokonapięciowe oraz filtry dodatkowo redukujące zakłócenia. W połączeniu z projektowanym układem scalonym możliwe będzie skalowanie systemu kontroli transportu jonów.