D-Wave

D-Wave ist führend in der Entwicklung und Bereitstellung von Quantencomputersystemen, Software und Services, sowie der erste kommerzielle Anbieter von Quantencomputern weltweit. Unsere Mission ist es, die Leistungsfähigkeit des Quantencomputing zu erschließen, indem wir Kundennutzen durch praktische Anwendungen liefern. Unsere Systeme werden von einigen der weltweit fortschrittlichsten Organisationen verwendet, wie z. B. von globalen Unternehmen wie Lockheed Martin, DENSO und Volkswagen bis hin zu nationalen Forschungszentren wie NASA Ames, Los Alamos National Lab, Oak Ridge National Lab und Forschungszentrum Jülich.

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Der D-Wave Quantencomputer nutzt die Quantendynamik, um durch neue Methoden die Probleme bez. komplexen diskreten Optimierungen, Einschränkungszufriedenheit, künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen, Materialwissenschaft und Simulationsprobleme zu lösen. Diese Problemtypen sind auf ein breites Anwendungsspektrum in so unterschiedlichen Bereichen wie Finanzmodellierung, Flugplanung, Wahlmodellierung, Quantenchemie, physikalische Simulation, Automobildesign, präventive Gesundheitsversorgung, Logistik und mehr anwendbar.

Unser System nutzt das Quantenglühen, um die Probleme zu lösen, die als mathematische Funktionen dargestellt werden (die einer Landschaft von Gipfeln und Tälern ähneln). Dabei wird es quantenmechanische Effekte, einschließlich Überlagerung, Verstrickung und Tunneln genutzt, um ihre globalen Minima entsprechend optimalen oder nahezu optimalen Lösungen zu finden. Unser Gerät verfügt über eine Grundfläche von ca. 10' x 7' x 10'. Sein physikalisches Gehäuse beherbergt ausgeklügelte kryogene Kälte-, Abschirmungs- und I/O-Systeme zur Unterstützung einer Quantenverarbeitungseinheit (QPU). Damit Quanteneffekte bei der Berechnung eine Rolle spielen, erfordert die QPU eine isolierte Umgebung. Der Kühlschrank und die Abschirmschichten schaffen eine interne Hochvakuumumgebung mit einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt. Die Umgebung wird von externen Magnetfeldern, Vibrationen und HF-Signalen isoliert.

Die QPU basiert selbst auf einem Netzwerk von miteinander verbundenen supraleitenden Flussqubits. Jedes Qubit besteht aus einer winzigen Metallschleife, die von einer Josephson-Kreuzung unterbrochen wird. Bei den niedrigen Temperaturen in unserem System werden diese Schleifen zu Supraleitern und zeigen quantenmechanische Effekte. Wenn sich ein Qubit in einem Quantenzustand befindet, fließt das Strom in beide Richtungen gleichzeitig, was bedeutet, dass sich das Qubit in Überlagerung befindet - d. h. in sowohl a 0 und a 1-Zustand gleichzeitig. Am Ende des Problemlösungsprozesses bricht diese Überlagerung in einen der beiden klassischen Zustände, 0 oder 1, zusammen.

Wenn Sie von einem einzelnen Qubit zu einer Multi-Qubit-QPU wechseln, müssen die Qubits miteinander verbunden werden, um Informationen auszutauschen. Qubits werden über Koppler verbunden, die auch supraleitende Schleifen sind. Die Verbindung von Qubits und Kopplern, zusammen mit Steuerkreisen zur Steuerung der Magnetfelder, schafft ein integriertes Gefüge programmierbarer Quantengeräte. Wenn die QPU zu einer Lösung für ein Problem gelangt, werden alle Qubits in ihren endgültigen Zuständen erledigen und die gehaltenen Werte werden an den Benutzer zurückgegeben.

Kunden von Amazon Braket haben Live-Echtzeit-Zugriff auf die D-Wave-Quantencomputer. Um die Nutzung des Systems zu optimieren, verwenden die AWS-Kunden das D-Wave Ocean SDK. Das ist eine Reihe von Python-Tools, die das Problem-Mapping unterstützen. Dabei werden die Anwendungsziele in eine Lösungsform auf dem D-Wave-Quantencomputer übersetzt und dann die Lösungen zurückgegeben, die für die ursprüngliche Anwendung geeignet sind. Das SDK enthält auch eine Uniform Sampler-API, eine Abstraktionsschicht. Die Abstraktionsschicht stellt das Problem in einer Form dar, die vom Quantencomputer verwendet werden kann. Zudem enthält das SDK die Sampler-Auswahltools, mit denen der Benutzer eine der verschiedenen Methoden (sogenannte "Sampler") beim Problemlösen verwenden kann. Zu den Methoden gehören das Ausführen vom Quantenglühen, von der klassischen Computerhardware mit klassischen Algorithmen oder den potenziell kundenspezifischen Samplern.

Während Benutzer die Probleme auf verschiedene Weise an das System senden können, wird ein Problem letztlich als eine Reihe von Werten dargestellt, die den Gewichtungen der Qubits und der Stärke der Koppler entsprechen. Die Problemlösungen entsprechen der optimalen Konfiguration der gefundenen Qubits; das heißt, die tiefsten Punkte in der Energielandschaft. Diese Werte werden an den Benutzer zurückgegeben. Da die Quantencomputer eher probabilistisch als deterministisch sind, können mehrere Werte zurückgegeben werden, die eine Reihe guter, falls nicht optimaler Lösungen für ein Problem darstellen.

IonQ

IonQ ist führend im universellen Quantencomputing. Wir glauben, dass der beste Weg für das Aufbau eines Quantencomputers darin besteht, mit der Natur zu beginnen: IonQ verwendet einzelne Atome als Herzstück unserer Quantenverarbeitungseinheiten. Wir schweben sie im Raum mit Halbleiter-definierten Elektroden auf einem Chip. Dann verwenden wir Laser für die erstmalige Vorbereitung, Gatteroperationen und die endgültige Auslesung. Um alles zusammenzubringen, bedarf es kontraintuitiver Physik, präzisionsoptischer und mechanischer Technik sowie einer feinkörnigen Firmware-Kontrolle über eine Vielzahl von Komponenten. IonQ wurde im Jahr 2015 von Jungsang Kim und Christopher Monroe gegründet.

IonQ Logo

Die Ausführung von Rechenaufgaben auf unserem Quantencomputer erfolgt durch Programmierung der Sequenz von Laserpulsen, die zur Ausführung jeder Quantengatteroperation verwendet werden. Die Systemarchitektur ermöglicht die Gatteroperationen zwischen einem beliebigen Satz von Quantenbits oder Qubits im System. Daher ist es eine sehr vielseitige Rechnenmaschine, die eine vielzahl von Quantenalgorithmen effizient ausführen kann. Das System kann eine breite Palette an Quantenalgorithmen ausführen, die entwickelt wurden, um die Probleme in der Chemie- und Materialsimulation, Logistik und Optimierung, Pharma- und Sicherheitsanwendungen anzugehen.

IonQ‘s eingefangene-Ion Ansatz zum Quantencomputing beginnt mit ionisierten Ytterbiumatomen. Zwei interne Zustände dieser identischen Atome bilden die Qubits, den wichtigsten Teil eines Quantencomputers. Jedes Ytterbiumatom ist vollkommen identisch mit jedem anderen Ytterbiumatom im Universum. Wir streifen zuerst ein Elektron von dem Atom ab, um das Atom in ein Ion zu verwandeln. Dann verwenden wir einen speziellen Chip, namens eine lineare Ionenfalle, um den Chip präzise im 3D-Raum zu halten. Die Falle verfügt über rund 100 winzige Elektroden, die präzise konstruiert, hergestellt und gesteuert werden, um elektromagnetische Kräfte zu erzeugen. Sie halten die Ionen fest, isoliert von der Umgebung, um Umgebungsgeräusche und Dekohärenz zu minimieren.

Sobald das erste Ionen festgehalten wird, können wir dann eine beliebige Anzahl von Ionen in eine lineare Kette laden. Diese On-Demand-Rekonfigurierbarkeit ermöglicht es uns, theoretisch alles von einem Ein-Qubit-System zu einem 100+ Qubit-System (derzeit nicht verfügbar) zu erstellen, ohne einen neuen Chip herstellen oder die zugrunde liegende Hardware ändern zu müssen. Sobald die Atome eingefangen sind, können wir sie in jedem Quantenzustand vorbereiten und sie bleiben in diesem Zustand auf unbestimmte Zeit, solange die Qubits ausreichend von der Umgebung isoliert sind. Bevor wir die Ionen für Quantenberechnungen verwenden können, müssen wir sie auf die Aufgabe vorbereiten. Dies umfasst zwei Schritte: Kühlung, um die Rechengeräusche zu reduzieren, und Zustandsvorbereitung, die jedes Ionen in einen genau definierten "Null"-Zustand - einsatzbereit - initialisiert.

Wir führen Gatteroperationen mit einer Reihe von einzelnen Laserstrahlen durch, die jeweils auf einem einzelnen Ionen abgebildet sind, sowie einem "globalen" Strahl. Die Interferenz zwischen den beiden Strahlen erzeugt ein Steuersignal, das die Qubits in einen anderen Zustand treten kann. Wir können den Zustand der Ionen manipulieren, um die Ein- und Zwei-Qubit-Gatter zu erstellen. Bis heute haben wir die Ein-Qubit-Gatter auf einer 79-Ionen-Kette und den komplexen Algorithmen ausgeführt, die aus mehreren Zwei-Qubit-Gattern auf Ketten mit bis zu 11 Ionen bestehen. Sobald die Berechnung durchgeführt wurde, wird das Auslesen des Ergebnisses durch Leuchten eines Resonanzlasers auf alle Ionen erfolgt, um die Quanteninformation in einem von zwei Zuständen zu reduzieren. Das Sammeln und Messen dieses Lichts ermöglicht es uns, den zusammengebrochenen Zustand jedes Ions gleichzeitig zu lesen – einer dieser Zustände leuchtet als Reaktion auf das Laserlicht, der andere nicht. Wir interpretieren das Ergebnis als binäre Zeichenfolge. Um die atomaren Ionenqubits von der Umgebung zu isolieren, legen wir die Falle in eine Ultrahoch-Vakuumkammer, die mit dem Druck von etwa 10-11 Torr gepumpt wird. Bei diesem Druck gibt es weniger Moleküle in einem bestimmten Volumen als im Außenraum.

Rigetti

Rigetti Computing baut und stellt die integrierten Quantencomputersysteme bereit, die supraleitende Qubit-Technologie nutzen. Diese Systeme ermöglichen es Unternehmen, bestehende Rechenworkflows um leistungsstarke Quantenprozessoren zu erweitern. Rigetti bedient Kunden in den Bereichen Finanzen, Versicherungen, Pharma, Verteidigung und Energie mit kundenspezifischer Software und Full-Stack-Lösungen, die sich auf Simulations-, Optimierungs- und Machine Learning-Anwendungen konzentrieren. Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in Kalifornien, USA, mit Niederlassungen in Washington, DC, Australien und Großbritannien.

Rigetti_Computing

Die Rigetti Quantenprozessoren sind die universelle Gatter-Modell-Maschinen, die auf supraleitenden Qubits basieren. Unsere Chips der Aspen-Serie verfügen über kachelbare Gitter mit abwechselnden festen Frequenzen und abstimmbaren supraleitenden Qubits innerhalb einer Systemarchitektur, die auf große Qubit-Zahlen skalierbar ist. Die parametrischen Verwicklung-Logikgatter auf diesen Chips bieten auch schnelle Gatter-Zeiten und Programmausführungsraten ab. Die Quantenchips der Aspen-Serie werden in der Rigetti‘s speziellen Gerätegießerei mit modernsten Fertigungstechniken für supraleitende Schaltungen hergestellt. Das Ergebnis ist eine leistungsstarke Kombination aus Präzision, Skalierung und Geschwindigkeit.
Die Rigetti-Prozessoren bestehen aus drei Hauptsubsystemen. Erstens werden die Benutzerprogramme durch eine effiziente Compiler-Toolkette in den maschinennahen Anweisungen optimiert. Dann sequenziert ein Hardware-Controller mit niedriger Latenz diese Anweisungen als kalibrierte elektrische Signale. Schließlich transduzieren die Qubits, die aus kohärenten supraleitenden Schaltungselementen hergestellt werden, diese elektrischen Signale logisch als digitale Quantengatter und Messanweisungen.

Das Aspen-Chip-Konnektivitätsdiagramm ist achteckig und mit 3-fachem (2-fach für Kanten) verbindend. Der Rigetti Quilc Compiler ordnet diesem Netzwerk der physischen Verbindungen einen abstrakten Quantenalgorithmus zu. Die "SWAP"-Gatter, die ohne Verwicklung die Quantenzustände zwischen Qubits austauschen, können die Quanteninformationen über den Aspen-Prozessor verteilen, um die nicht nächsten Nachbarqubits zu verbinden. Da es sich um kostspielige Vorgänge handelt, wird der Quilc Compiler für das "Layoutproblem" stark optimiert. Insbesondere werden die kompilierten Tiefen für Programme in den Aspen-Diagrammen häufig auf weniger als oder annähernd gleich zu einer gesamt-serielle Programmkonstruktion geschätzt.

Das Rigetti‘s Mechanismus von Zwei-Qubit-Verwicklung-Gattern (typischerweise ein kontrolliertes Phasengatter oder "CZ"-Gatter) wird durch elektrische Frequenzmodulation (FM) gesteuert. Für diese Klasse von "parametrischen Gattern" führt der Controller eine CZ-Gatter-Anweisung über die elektrische Vorspannung aus. Somit werden die Funkfrequenz-Betriebspunkte (GHz) eines Qubits ("Skalenknopf") verwaltet und dieses FM-Spektrum wird in Resonanz mit einem nächsten Nachbarqubit für eine genau definierte Dauer umgewandelt. Im Aspen-Diagramm erfordert dieses Schema, dass mindestens die Hälfte der Qubits FM-abstimmbar sind. Um den Effekt der Dekohärenz auf einen Algorithmus abzuschätzen, sollten die Lebensdauern der Qubits (~25-50 μs) mit der Gatter-Dauer (~50-200 ns) multipliziert mit der Schaltungstiefe des Algorithmus verglichen werden. Diese Zeiten des neuesten Rigetti-Prozessors (Aspen-7), basierend auf einem 32-Qubit-Formfaktor, sind in Tabelle 1 dargestellt.

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Abbildung 1: Die skalierbare Schaltungstopologie für die Rigetti Aspen-Serie Chips mit Qubits in Base-8 und direkten Qubit-zu-Qubit-Verbindungen als Diagramm dargestellt.

Rigetti Aspen-7

Durchschnitt Zeitdauer (μs)

T1 Lebensdauer

41

T2 Lebensdauer

35

Ein-Qubit-Gatteroperation

0,080

Zwei-Qubit-Gatteroperation

0,34

Auslesungsoperation

1,3

Reset-Vorgang registrieren

10

Tabelle 1 - Lebensdauer und Operationsgeschwindigkeiten für den Aspen-7-Prozessor, Daten vom 24.10.2019.

Rigetti Aspen-7

Durchschnitt Genauigkeit (pro Op.)

Ein-Qubit-Gatter

98,7 %

Zwei-Qubit-Gatter

95,2 %

SPAM

96,4 %

Geometrischer Mittelwert op.

97,2 %

Tabelle 2 - Genauigkeit pro Operation für den Aspen-7-Prozessor, Daten vom 24.10.2019.

Typische durchschnittliche Genauigkeiten für Einzel-Qubit-Gatter, Zwei-Qubit-Gatter und SPAM-Anweisungen (STATE Preparation and Measurement) für Aspen-7 sind in Tabelle 2 dargestellt. Während komplexere Benchmarks können auf universellen Quantencomputern ausgeführt werden, ist eine erste Annäherung für die Leistung auf Chipebene der geometrische Mittelwert jeder Art von Anweisung; d.h. über das mediane Ein-Qubit, Zwei-Qubit und Registervorbereitung/Auslesungsoperationen eines Chips: Der Aspen-7-Chip hat eine mittlere Genauigkeit von 97,2 %. Die Durchsilizium-Vias und ein Flip-Chip-verbund supraleitender Schild minimieren das falsche Steuersignal-Übersprechen auf dem Chip innerhalb des integrierten Schaltkreises.

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