Космос, если честно, подкачал: реликтовое излучение подогревает пустоту до 2,7 кельвина, и на этом «мороз» заканчивается. Сверхпроводящему квантовому процессору нужно в сотни раз холоднее — около десяти тысячных кельвина. Вокруг кубитов возводят многоэтажные стальные «люстры» — холодильники разбавления, которые напоминают скорее пивоваренный чан, чем компьютер. И вот что занятно: увидим ли мы квантовую машину промышленного масштаба, сегодня решают не чипы. Решает криогеника. Грубо говоря, сантехника.
Сверхпроводящий кубит — вещь деликатная. По сути это микроскопический колебательный контур с джозефсоновским переходом, напечатанный из алюминия на сапфировой подложке. Его «ноль» и «единица» разведены энергетической щелью, которой отвечает частота около пяти гигагерц. Любой тепловой фотон пожирнее этой щели способен перебросить кубит из одного состояния в другое — и вычисление на глазах превращается в шум. При четырёх кельвинах таких фотонов вокруг чипа — сплошная метель.
Есть и вторая, более прозаическая причина. Сверхпроводимость алюминиевых плёнок живёт только ниже критической температуры, чуть выше кельвина, а запас до десятков милликельвинов нужен, чтобы тепловые квазичастицы не разрушали квантовые состояния. Время когерентности — то есть то, как долго кубит вообще помнит своё состояние, — с нагревом тает буквально на глазах. Отсюда инженерное требование, слегка неожиданное: не «холоднее некуда», а «стабильно около десяти милликельвинов, круглосуточно и годами». Здесь стабильность дороже рекордов.
Разбавительный холодильник — единственная серийная технология, добывающая милликельвины непрерывно, без пауз «на перезарядку». Внутри циркулирует смесь двух изотопов: лёгкого гелия-3 и тяжёлого гелия-4. Ниже кельвина смесь расслаивается на две фазы, и когда атомы гелия-3 перескакивают в разбавленную фазу, поглощается теплота. Тот же трюк, что со спиртом, испаряющимся с кожи, — только там, где испаряться уже нечему: у самого абсолютного нуля.
Конструктивно это вертикальная стопка медных плит. Пульсационные трубки с компрессорами, тянущими из розетки киловатты, снимают основное тепло до ступеней 50 и 4 кельвина. Дальше начинается ювелирная часть: ступень «still» около 700 мК, холодная плита около 100 мК и, наконец, фундаментальная плита — смесительная камера, где и живут кубиты. Остывание с комнатной температуры занимает от пары суток до недели. А холодной мощности на самом дне остаётся считанные микроватты — вот и весь бюджет, который предстоит разделить между кубитами, кабелями и электроникой. Торг здесь неуместен.
Каждому кубиту положены собственная СВЧ-линия управления и линия считывания, а часто ещё и линия потокового смещения. Каждый коаксиал протянут сквозь все температурные ступени и уставлен аттенюаторами и фильтрами: тёплый фотон, прорвавшийся сверху, губит состояния, но и сами аттенюаторы, глуша шум, греются. Спасает хотя бы то, что на нижних ступенях кабели делают сверхпроводящими из ниобия-титана — иначе они тянули бы тепло вниз без всякого стеснения.
Арифметика тут беспощадная. У процессоров нынешнего поколения таких линий — сотни. Отказоустойчивой машине с коррекцией ошибок нужны миллионы физических кубитов, а значит, и линии в количестве, которое не пролезет в горловину криостата и не уложится в микроваттный тепловой бюджет.
Спасают, как обычно, тремя путями. Мультиплексирование: один кабель обслуживает десятки кубитов. Криогенная КМОП-электроника, работающая при четырёх кельвинах возле самих кубитов: Intel Horse Ridge, проект Microsoft и Сиднейского университета. И оптоволокно вместо медного ливня. Цена вычислительного милливатта растёт — и криогеника из обвязки превращается в главный лимит всей отрасли.
Рынок разбавительных криостатов — узкий, как горловина самого криостата: его удерживают несколько компаний. Это финская Bluefors, британская Oxford Instruments, американские Janis и FormFactor. Очередь на холодильник измеряется месяцами, цена — сотнями тысяч долларов, а флагманские системы переваливают за миллион.
Поэтому крупные игроки всё чаще не покупают готовые «люстры», а строят свои платформы. IBM возводит сверхбольшой криостат Goldeneye под процессоры с тысячами кубитов и собирает квантовые системы из нескольких стандартных криомодулей. Промышленный масштаб — это ведь конвейер: криостат перестаёт быть уникальным физическим прибором и становится серийным изделием с заводской проводкой, спецификацией и гарантией.
Есть и счёт за электричество. Компрессоры каждой установки потребляют десятки киловатт, так что квантовый дата-центр проектируется прежде всего как тепловой объект: «люстры» с микроваттами внутри, окружённые вентиляторами с мегаваттами снаружи. Симметрия, согласитесь, издевательская.
Национальную квантовую дорожную карту курирует Росатом, сверхпроводящим направлением занимаются Российский квантовый центр и МИСИС: прототипы на десятки кубитов уже собраны и открыты по облаку, следующая цель — машины с коррекцией ошибок. Всё бы ничего, да одна закавыка: разбавительные криостаты в российских лабораториях, по имеющимся данным, импортные, а поставки в последние годы осложнились. Как сообщается, проекты собственного криостата в стране обсуждаются — но пока без него программе грозит жизнь на парке уже купленных машин.
Задел, впрочем, серьёзный. «Криогенмаш» десятилетиями выпускает гелиевые сжижители и криогенные ёмкости, а Россия — один из крупнейших производителей гелия в мире благодаря Оренбургу и Амурскому газоперерабатывающему заводу. Сложнее с гелием-3 — рабочим телом разбавительных холодильников: промышленно его в стране почти не добывают, да и мировой рынок сжался. Перспектива, честно говоря, очевидна: либо свой милликельвиновый станкостроительный комплекс, либо квантовая программа на импортированном холоде. Третьего, похоже, не дано.
Как ни крути, квантовая гонка оказывается гонкой криогенной. Алгоритмы и чипы, конечно, важны, но срок, когда квантовые машины выйдут из лабораторий, определит инфраструктура милликельвинов: проводка, криогенная электроника, серийные криостаты и цена каждого милливатта холода. Кто научится штамповать абсолютный холод конвейером — у того и фундамент целой вычислительной эпохи. А заодно и лишний повод посмеяться: холоднее космоса, как выясняется, — это ещё и большой бизнес.