D-Wave

D-Wave es líder en el desarrollo y la entrega de sistemas informáticos cuánticos, software y servicios y es el principal proveedor comercial de computadoras cuánticas. Nuestra misión es aprovechar al máximo el poder de la informática cuántica ofreciendo valor al cliente a través de aplicaciones prácticas. Nuestros sistemas son utilizados por las organizaciones más avanzadas del mundo, desde empresas globales como Lockheed Martin, DENSO y Volkswagen, hasta centros de investigación nacionales como NASA Ames, Los Alamos National Lab, Oak Ridge National Lab y Forschungszentrum Jülich.

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La computadora cuántica de D-Wave aprovecha la dinámica cuántica con el fin de acelerar y permitir nuevos métodos para resolver problemas complejos de optimización discreta, satisfacción limitada, inteligencia artificial, aprendizaje automático, ciencia de los materiales y simulación. Estos tipos de problemas corresponden a una amplia variedad de aplicaciones en áreas tan diversas como el modelado financiero, la programación de líneas aéreas, el modelado de elecciones, la química cuántica, la simulación física, el diseño automotriz, la atención médica preventiva, la logística, etc.

Nuestro sistema utiliza temple cuántico para resolver problemas representados como funciones matemáticas (parecidas a un paisaje de picos y valles) aprovechando los efectos mecánicos cuánticos, incluidos la superposición, el entrelazamiento y el efecto túnel, para descubrir su mínimo global correspondiente a las soluciones óptimas o casi óptimas. Nuestro dispositivo tiene una superficie de aproximadamente 10’ x 7’ x 10’. Su contenedor físico aloja sistemas sofisticados de refrigeración criogénica, protección y E/S para admitir una unidad de procesamiento cuántico (QPU). Para que los efectos cuánticos desempeñen una función en la informática, la QPU requiere un entorno aislado. El refrigerador y las capas de protección crean un entorno interno de alto vacío con una temperatura cercana al cero absoluto que está aislado de los campos magnéticos externos, la vibración y las señales de RF.

La QPU está diseñada a partir de una red de qubits de flujo de superconductores interconectados. Cada qubit está fabricado con un pequeño bucle de metal interrumpido por una unión Josephson. A bajas temperaturas en nuestro sistema, estos bucles se convierten en superconductores y presentan efectos mecánicos cuánticos. Cuando un qubit se encuentra en estado cuántico, la corriente fluye en ambas direcciones simultáneamente, lo que significa que el qubit es una superposición, es decir, en estado 0 y en estado 1 al mismo tiempo. Al final del proceso de resolución de problemas, esta superposición se contrae a uno de los dos estados clásicos, 0 o 1.

Desde un único qubit a qubits múltiples, la QPU requiere que los qubits estén interconectados para intercambiar información. Los qubits se conectan a través de acopladores, que también son bucles superconductores. La interconexión de qubits y acopladores, junto con el circuito de control para administrar los campos magnéticos, crea un tejido integrado de dispositivos cuánticos programables. Cuando la QPU llega a una solución del problema, todos los qubits se restablecen a sus estados finales y los valores que contienen se devuelven al usuario.

Los clientes de Amazon Braket contarán con acceso en vivo y en tiempo real a las computadoras cuánticas D-Wave. Para optimizar el uso de nuestro sistema, los clientes de AWS usarán D-Wave Ocean SDK, un conjunto de herramientas Python que admiten la asignación de problemas mediante la traducción de los objetivos de la aplicación a una forma adecuada para la solución en la computadora cuántica D-Wave y luego devuelven soluciones adecuadas para la aplicación original. El SDK también incluye una API Uniform Sampler, una capa de abstracción que representa el problema en una forma que puede ser utilizada por la computadora cuántica, y una selección de herramientas de muestra que le permite al usuario elegir cuál de los distintos métodos (denominados "muestras") usará para resolver los problemas. Los métodos incluyen la ejecución de temple cuántico, hardware informático clásico que ejecuta algoritmos clásicos o muestras con un diseño potencialmente personalizado.

Si bien los usuarios pueden enviar los problemas al sistema de diferentes maneras, en última instancia el problema se representa como un conjunto de valores que corresponden a los pesos de los qubits y a la resistencia de los acopladores. Las soluciones de los problemas corresponden a la configuración óptima de los qubits encontrados, es decir, los puntos más bajos en el paisaje de la energía. Estos valores se devuelven al usuario. Dado que las computadoras cuánticas son probabilísticas en lugar de determinísticas, se pueden devolver varios valores, lo que representa un conjunto de buenas, por no decir óptimas, soluciones de un problema.

IonQ

IonQ es una empresa líder en informática cuántica universal. Creemos que la mejor manera de crear una computadora cuántica es comenzando por la naturaleza: IonQ utiliza átomos individuales como el corazón de nuestras unidades de procesamiento cuántico. Los levitamos en el espacio con electrodos definidos por semiconductores en un chip. Luego, usamos láseres para la preparación inicial, las operaciones de puerta y la lectura final. Para incorporar todo, se requiere física contraintuitiva, ingeniería óptica y mecánica de precisión y un minucioso control de firmware sobre una variedad de componentes. IonQ fue fundada en 2015 por Jungsang Kim y Christopher Monroe.

IonQ Logo

La ejecución de tareas computacionales en nuestra computadora cuántica se logra a través de la programación de la secuencia de pulsos láser utilizados para implementar cada operación de puerta cuántica. La arquitectura de nuestro sistema admite operaciones de puerta entre un conjunto arbitrario de bits cuánticos, o qubits, en el sistema y esto lo convierte en una máquina informática sumamente versátil que puede ejecutar eficientemente una amplia variedad de algoritmos cuánticos. Nuestro sistema es capaz de ejecutar una amplia variedad de algoritmos cuánticos diseñados para solucionar problemas en la simulación química y de materiales, la logística y optimización, la industria farmacéutica y las aplicaciones de seguridad.

El enfoque de iones atrapados de IonQ para la informática cuántica comienza con átomos de iterbio ionizados. Dos estados internos de estos átomos idénticos conforman los qubits, la parte más importante de cualquier computadora cuántica. Cada átomo de iterbio es perfectamente idéntico a cualquier otro átomo de iterbio en el universo. Primero extraemos un electrón del átomo para convertir nuestro átomo en un ion y utilizamos un chip especializado denominado trampa de iones lineal para mantenerlo precisamente en el espacio 3D. La trampa presenta aproximadamente 100 electrodos pequeños diseñados, fabricados y controlados con precisión para producir fuerzas electromagnéticas que mantienen nuestros iones en su lugar, aislados del entorno para minimizar el ruido ambiental y la decoherencia.

Una vez que el primer ion está en su lugar, podemos cargar cualquier cantidad de iones en la cadena lineal. Esta reconfigurabilidad bajo demanda nos permite crear teóricamente cualquier cosa desde un sistema de un qubit a un sistema de más de 100 qubits (no disponible actualmente) sin tener que fabricar un chip nuevo o cambiar el hardware subyacente. Una vez que los átomos están atrapados, podemos prepararlos en un estado cuántico y permanecen en ese estado indefinidamente siempre que los qubits estén aislados del entorno de manera correcta. Antes de poder usar nuestros iones para realizar cómputos cuánticos, tenemos que prepararlos para la tarea. Esto implica dos pasos: enfriamiento, para reducir el ruido computacional, y preparación de estado, que inicializa cada ion en un estado "cero" bien definido, listo para su uso.

Realizamos operaciones de puerta con una matriz de rayos láser individuales, cada uno de ellos clonado en un ion individual, más un rayo "global". La interferencia entre los dos rayos produce una señal de control que puede disparar los qubits a un estado diferente. Podemos manipular el estado de los iones para crear puertas de un solo qubit y de dos qubits. Hasta hoy, hemos ejecutado puertas de un solo qubit en una cadena de 79 iones y algoritmos complejos que consisten en varias puertas de dos qubits en cadenas de hasta 11 iones. Una vez que se haya realizado el cómputo, el resultado se lee mediante la iluminación de un láser resonante en todos los iones para contraer la información cuántica en uno de los dos estados. Recolectar y medir esta luz nos permite leer simultáneamente el estado contraído de cada ion; uno de estos estados brilla en respuesta a la luz láser y el otro no. Interpretamos el resultado como una cadena binaria. Para aislar los qubits de iones atómicos del entorno, colocamos la trampa adentro de una cámara de vacío ultra alto, evacuada a presiones de aproximadamente 10-11 Torr. A esta presión, hay menos moléculas en un volumen dado que en el espacio exterior.

Rigetti

Rigetti Computing crea e implementa sistemas de informática cuántica integrados aprovechando la tecnología de qubits superconductores. Estos sistemas les permiten a las organizaciones incrementar sus flujos de trabajo computacionales existentes con poderosos procesadores cuánticos. Rigetti brinda servicios a clientes en finanzas, seguros, industria farmacéutica, defensa y energía con soluciones de software personalizado y de pila completa destinadas a la simulación, la optimización y las aplicaciones de aprendizaje automático. La sede central de la empresa se encuentra en California, EE.UU., con oficinas en Washington DC, Australia y el Reino Unido.

Rigetti_Computing

Los procesadores cuánticos Rigetti son máquinas universales con un modelo de puertas basadas en qubits superconductores. Nuestros chips de la serie Aspen presentan cuadrículas que se pueden organizar en mosaicos y que están compuestas de qubits superconductores alternos de frecuencia fija y ajustables dentro de una arquitectura de sistemas que se puede escalar a grandes cantidades de qubits. Las puertas lógicas entrelazadas paramétricas en estos chips también ofrecen tiempos rápidos de puertas y tasas rápidas de ejecución de programas. Los chips cuánticos de la serie Aspen se fabrican en la fundición de dispositivos dedicada de Rigetti mediante el uso de modernas técnicas de fabricación para circuitos superconductores. El resultado es una poderosa combinación de precisión, escala y velocidad.
Los procesadores Rigetti están compuestos de tres subsistemas principales. En primer lugar, los programas de usuario se optimizan en instrucciones nativas de la máquina a través de una eficiente cadena de herramientas compiladoras. Luego, un controlador de hardware de baja latencia ordena estas instrucciones en señales eléctricas calibradas. Por último, los qubits que se elaboran a partir de los elementos del circuito superconductor uniforme convierten estas señales eléctricas lógicamente en puertas cuánticas digitales e instrucciones de medición.

El gráfico de conectividad de chips Aspen es octogonal con 3 pliegues (2 pliegues para los bordes) en conexión. El compilador Quilc de Rigetti asigna un algoritmo cuántico abstracto en esta red de conexiones físicas. Las puertas "SWAP", que intercambian estados cuánticos entre qubits sin entrelazarlos, pueden transportar información cuántica a través del procesador Aspen para vincular a los qubits que no son vecinos próximos. Dado que estas pueden ser operaciones costosas, el compilador Quilc está altamente optimizado para el "problema de diseño". En especial, las profundidades compiladas para los programas en los gráficos Aspen se suelen estimar como inferiores o casi iguales a una construcción integrada de programas en serie.

El mecanismo de puerta entrelazada de dos qubits de Rigetti (generalmente una puerta de fase controlada o puerta "CZ") es activado por el control de frecuencia modulada (FM) eléctrica. Para esta clase de "puertas paramétricas", el controlador ejecuta una instrucción de puerta CZ a través de la polarización eléctrica administrando los puntos operativos de radiofrecuencia (GHz) de un qubit (piense en el "dial de la radio"), accionando este espectro de FM en resonancia con un qubit vecino más próximo para una duración definida con exactitud. En el gráfico Aspen, este esquema requiere que al menos la mitad de los qubits se puedan ajustar a la FM. Para estimar el efecto de decoherencia en un algoritmo, los ciclos de vida de los qubits (~25-50 μs) se deben comparar con la duración de la puerta (~50-200 ns) multiplicada por la profundidad del circuito del algoritmo. En la tabla 1 se muestran estos tiempos correspondientes al procesador Rigetti más reciente (Aspen-7) basado en un factor de forma de 32 qubits.

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Figura 1: Topología de circuito escalable para chips de la serie Aspen de Rigetti con qubits etiquetados en conexiones de base 8 y directas de qubit a qubit que se muestran en forma de gráfico.

Rigetti Aspen-7

Duración de tiempo promedio (μs)

Ciclo de vida T1

41

Ciclo de vida T2

35

Operación de puertas de un solo qubit

0,080

Operación de puertas de dos qubits

0,34

Operación de lectura

1,3

Operación de restablecimiento de registro

10

Tabla 1: Ciclos de vida y velocidades de operación para el procesador Aspen-7, datos tomados el 24/10/2019.

Rigetti Aspen-7

Fidelidad promedio (por op.)

Puertas de un solo qubit

98,7 %

Puertas de dos qubits

95,2 %

SPAM

96,4 %

Op. de media geométrica

97,2 %

Tabla 2: Fidelidad por operación del procesador Aspen-7, datos tomados el 24/10/2019.

En la tabla 2 se muestran las fidelidades promedio típicas para las puertas de un solo qubit, las puertas de dos qubits y las instrucciones de preparación de estado y medición (SPAM) para Aspen-7. Si bien las valores de referencia más complejos se pueden ejecutar en computadoras cuánticas universales, una aproximación primordial para el rendimiento a nivel de chip es la media geométrica de cada tipo de instrucción, es decir, las operaciones de un solo qubit, de dos qubits y de preparación/lectura de registro por encima de la media de un chip: el chip Aspen-7 tiene una fidelidad media de 97,2%. Dentro del circuito integrado, una protección superconductora ensamblada de flip chip y vías a través de silicio minimiza la interferencia de señales de control falsas en el chip.

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