Суперпроводими чипове ще ускорят създаването на квантови компютри

Суперпроводимите процесори може да се превърнат в ключов компонент за следващото поколение суперкомпютри. Първо, те биха могли да помогнат за справяне с основното предизвикателство пред мащабното създаване на квантови компютри. Второ, те биха могли да ускорят традиционните суперкомпютри и забележително да намалят консумацията на енергия. Мултидисциплинарен изследователски проект, ръководен от VTT, ще се справи с едно от основните предизвикателства пред това решение: трансфер на данни към и от ниски температури, необходими за свръхпроводимостта.

Изчислителната мощност на квантовия компютър се основава на свръхпроводими кубити, работещи при изключително ниски температури. Кубитите (Qubits) обикновено се контролират от конвенционална електроника при стайна температура, свързани чрез електрически кабели. Когато броят на кубитите в крайна сметка се повиши до необходимото ниво от стотици хиляди, броят на управляващите кабели едва ли ще може се мащабира достатъчно, за да съответства на броя на кубитите, без това да доведе до непоносимо топлинно натоварване и по този начин да се повиши ниската температура на квантовия процесор.

Едно от решенията е да се управлява квантовият процесор с почти класически процесор. Най-обещаващото решение е да се използва технологията "единичен квантов поток" (SFQ), която следва логиката на традиционните компютри, но използва свръхпроводяща технология вместо полупроводници. Изисквайки ниски температури, SFQ рядко се използва в традиционните компютри. Този недостатък обаче се превръща в предимство, когато се използва в комбинация със свръхпроводящи квантови компютри.

Остава обаче едно голямо предизвикателство. Инструкциите за изчисленията идват към процесора SFQ от конвенционален суперкомпютър и резултатите от изчисленията трябва да бъдат изпратени обратно от процесора SFQ към същата машина. Това изисква трансфер на данни между изключително ниски температури и стайни температури.

"Нашата визия е да заменим електрическите кабели с оптични влакна и подходящи преобразуватели, които преобразуват оптичните сигнали в електрически и обратно. За разлика от съществуващите решения, тези компоненти трябва да могат да работят при ниски температури. Основната цел на нашия проект aCryComm е да разработи нови конвертори и да демонстрира как те могат да управляват и четат прост SFQ процесор. Проучваме неизследвана територия, където изборът на пътища, които са най-подходящи за ниски температури, ще представлява както предизвикателства, така и възможности", заяви Матео Черчи, старши учен във VTT, координатор на проекта. VTT в момента разработва финландския квантов компютър в сътрудничество с финландската стартираща фирма IQM. Въпреки че краткосрочната цел на сътрудничеството е да достигне само около 50 кубита, с aCryComm VTT възнамерява да постави основата за дългосрочно развитие към много по-мощни квантови компютри.

"Достъпните плодове" от конвенционални суперкомпютри

Освен квантовите компютри, конвенционалните суперкомпютри могат да се възползват още по-бързо от развитието на оптични връзки за технологията SFQ. В типичния суперкомпютър или всъщност във всеки лаптоп или смартфон, графичните процесори (GPU) поддържат централния процесор (CPU) при 3D визуализация и други подобни изчислителни задачи. Графичните чипове GPU са особено подходящи за векторни и матрични изчисления, които са в основата на различни научни изчисления.

Основно ограничение на суперкомпютрите е изключително високата консумация на енергия на процесорите и графичните процесори заради разсейването на енергия в силициевите чипове. Замяната на силициеви чипове със свръхпроводими чипове SFQ в графичните процесори може да има значително въздействие както върху производителността, така и върху консумацията на енергия на суперкомпютрите.

"CSC, финландският ИТ център за наука, скоро ще бъде дом на европейския суперкомпютър LUMI, един от най-бързите суперкомпютри в света, с изчислителна мощност, еквивалентна на 1,5 милиона лаптопа и консумация на енергия от около 200 MW, която ще покрие нуждите от няколко десетки хиляди домове. Проектът aCryComm може да допринесе за следващото поколение суперкомпютри, като ги ускори, а същевременно намали консумацията на енергия. Забележително е, че тази нова технология ще бъде разработена и произведена в ЕС, за разлика от повечето хардуерни компоненти на сегашните суперкомпютри", казва Черчи.

Подобряването на суперкомпютрите ще засили прогнозите за времето, анализа на изменението на климата, разработването на лекарства, на материали и логистиката.

Мултидисциплинраните експерти работят заедно

Тригодишният проект на ЕС, aCryComm, се координира от VTT. Визията на проекта се дължи на тясното вътрешно сътрудничество на експерти по теми като фотоника, свръхпроводими устройства, метрология и телекомуникации. Като мултидисциплинарен, екипът на VTT успя да определи най-добрите експерти и най-подходящите международни партньори за проекта, като университетът в Тампере, Финландия, KTH Royal Institute of Technology в Швеция, ETH Zürich в Швейцария и PTB, националният институт по метрология в Германия, а също корпоративните партньори Single Quantum от Холандия и Polariton Technologies от Швейцария.