量子计算机为何如此难生产,看看D

作者:admin    来源:互联网    发布时间:2020-06-11 20:29    浏览量:

超导量子计算机是利用超导量子处理器搭建的量子计算机系统,由于需要超导环境,超导量子处理器对温度和磁场非常敏感,因此超低温和磁屏蔽非常重要。此外,量子系统的输入输出线路保护也很重要。

根据D-Wave 公司发布的量子编程白皮书可以知道,与前几代一样,D-Wave 公司的第四代D-Wave 2000Q量子系统的量子处理器运行环境非常苛刻,超低温和磁屏蔽做得非常到位;同样也非常重视线路布局保护。其实,这所做的一切就是D-Wave 2000Q量子系统的复杂设计。

量子处理器对温度要求非常严格,要想量子处理器正常运行,环境温度必须低于80mK(这里指的是开尔文温度)。理论上,温度越低,量子处理器的性能会越强,这和传统处理器有点相似。

最新一代D-Wave 2000Q量子系统的CPU工作温度大约是15mK(15毫开尔文)。QPU量子处理器单元和输入/输出(I / O)系统的部分,还包括大约10Kg的量子处理器其他部分材料,都被冷却到这个不可思议的温度。其实这个温度已经比外太空低温环境还要低180倍。

D-Wave 2000Q量子系统之所以体积如此庞大,是因为系统大部分容积都被量子系统的制冷系统所占据了。这个制冷系统用于冷却量子处理器,制造适合量子处理器运作的环境温度,可以称之为稀释致冷机。

为了使量子系统的环境温度尽可能接近绝对零度,稀释致冷机的使用液氦作为冷却剂。D-Wave量子系统的处理器环境是绝对封闭的系统,这就意味着所以液氮必然处于封闭循环系统内。就像空调里面的冷却剂一样,液氦利用脉冲管技术进行冷却和循环利用。这样只需要很久时间做一次维护,加液氦就行。

其实能够制造出如此低温的专用冷却设备在市面上是可以买到的,现在稀释致冷机的技术也足够成熟。量子计算机可以利用此设备,只需几个小时就可以制造出量子处理器的环境温度,一旦达到这个温度,这个低温环境是可以保持好几个月甚至几年。

I / O子系统负责处理输入输出信息,信息输入:用户指令传送到QPU;信息输出:将QPU运算结果送到用户界面。这个信号是属于低频(频率30MHz)的模拟电信号,这些信号通过量子计算机内部的特殊金属线传递。其实在如此低温的环境中,这些金属线早已变成超导金属线。

I / O子系统的设计,制造和测试都是D-Wave公司自己搞定的。量子计算机I / O系统的许多规范很划时代,其对所涉及的材料和工艺提出了不寻常的要求。例如:

1、大多数I / O子系统必须在15mK温度下运行,而且量子处理器的环境温度必须长期保持,这就要求内部的稀释致冷机一年365天、24小时持续不断地工作。

2、大部分子系统必须使用超导金属制造(例如锡),这对于量子处理器的制造商提出很高的要求。

3、靠近处理器的材料都不能带有磁性。为了达到这个严格的标准,量子计算机D-Wave 公司在基准温度下单独测试每个I / O子系统中每个组件的磁性特征,这里是说与量子处理器直接连接的部件。

当前的I / O子系统提供的输入输出I / O连线总共192条,这里说的是经过严格滤波的192线路,与量子处理器单元QPU直连。这样做的目的是为了实现单个QPU最佳工作状态,性能最优化。由于D-Wave QPU的特殊设计,对地球杂散磁场非常敏感,极易受到影响,所以必须消除杂散磁场。当前的磁屏蔽系统的磁通量密度非常低,可以在QPU的整个体积上实现三维整体空间小于1纳特斯拉(nT)。

实际上,I-O子系统的几乎所有方面都由D-Wave设计,制造和测试。前面说到,I / O系统的许多规范对所涉及的材料和工艺提出了不寻常的要求。例如,大多数I / O子系统必须在15mK下运行,并且能够抵抗室温和基座之间的多次加热/冷却循环。大部分子系统必须使用超导金属制造,例如锡,这对于制造商来说通常是非标准的。另外,靠近处理器的材料都不是磁性的。

为了强制执行此要求,公司在基准温度下单独测试每个I / O子系统的每个组件的磁性特征,并且仅包括通过的那些组件。这是通过包括五个同心圆柱形屏蔽的系统实现的,其中一些是高磁导率金属,一些是超导金属。

QPU上集成了磁传感器,用来测量环境场;通过施加方向磁场,使这些传感器处磁场归零。然后逐步降低组件的环境温度,慢慢接近开尔文温度,超导屏蔽开始超导化。与此同时,“锁定”所谓的零场(磁场归零)。

除了内部磁屏蔽系统之外,量子计算机外壳也是属于磁屏蔽系统一部分。量子计算机外壳可以屏蔽射频电磁噪声,即是消除空间的射频电磁干扰。内部屏蔽系统和量子计算机机壳外部之间只有唯一的信息通道,就是一条数字光通道,该数字光通道用于承载编程信息和量子计算机输出的计算结果。

实际上,量子计算机的外壳有两个重要的功能:磁屏蔽系统的外壳和D-Wave系统的外壳。D-Wave 2000Q量子计算机系统主机是一个黑色的立方体,容纳、冷藏和磁屏蔽量子计算系统,而旁边有个辅助计算的黑色机柜—里面集合整个量子计算机的服务器和控制系统。

总体来说,在设计上,整个量子计算机系统体积和占地面积都很大,与现在超级计算机体积差不多。

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