D-Wave

D-Wave est un leader dans le développement et le déploiement de systèmes informatiques, logiciels et services quantiques. La société est le premier fournisseur commercial d’ordinateurs quantiques. Notre mission consiste à libérer tout le potentiel de l’informatique quantique en proposant de la valeur aux clients grâce à des applications pratiques. Nos systèmes sont utilisés par certaines des organisations les plus avancées, qu’il s’agisse de grands multinationales comme Lockheed Martin, DENSO et Volkswagen, ou de centres de recherche nationaux comme NASA Ames, Los Alamos National Lab, Oak Ridge National Lab ou encore Forschungszentrum Jülich.

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L’ordinateur quantique de D-Wave exploite la dynamique quantique pour accélérer et favoriser de nouvelles méthodes de résolution pour des problèmes complexes et spécifiques d’optimisation, de satisfaction de contraintes, d’intelligence artificielle, de machine learning, de science des matériaux et de simulation. Ces types de problèmes s’appliquent à un grand nombre d’applications dans des domaines aussi variés comme la modélisation financière, la planification aérienne, la modélisation élective, la chimie quantique, la simulation physique, le conception automobile, les soins préventifs, la logistique et bien d’autres.

Nos systèmes utilisent le recuit quantique pour résoudre des problèmes représentés sous la forme de fonctions mathématiques (ressemblant à un paysage de pics et de vallées) en maîtrisant les effets mécaniques quantiques, notamment la superposition, l’enchevêtrement et la tunnellisation pour trouver un minima global pouvant correspondre à des solutions optimales ou presque. Les dimensions de notre appareil sont d’environ 10 x 7 x 10 pouces (25 x 18 x 25 cm). Son boîtier externe intègre un système de refroidissement cryogénique, un blindage et des systèmes d’E/S pour soutenir un processeur quantique (QPU). Pour que les effets quantiques jouent un rôle dans l’informatique, le QPU requiert en environnement isolé. Le refroidisseur et les couches de blindage créent un environnement de vide important avec une température proche du zéro absolu et isolé des champs magnétiques externes, des vibrations et des signaux de radiofréquence.

Le QPU lui-même est conçu à partir d’un réseau de qubits de flux superconducteurs interconnectés. Chaque qubit est composé un minuscule boucle de métal interrompu par une jonction Josephson. À température basse dans nos systèmes, ces boucles deviennent des superconducteurs et présentent des effets mécaniques quantiques. Lorsqu’un qubit se trouve dans un état quantique, le courant circule simultanément dans les deux directions, ce qui signifie que le qubit est en superposition, c’est-à-dire à la fois dans un état 0 et 1 en même temps. À la fin du processus de résolution de problème, cette superposition s’effondre pour devenir l’un des deux états classiques, 0 ou 1.

Passer d’un seul qubit à un processuer à plusieurs qubits nécessite une certaine interconnexion pour l’échange d’informations. Les qubits sont connectés par des coupleurs qui sont eux-mêmes des boucles superconductrices. L’interconnexion des qubits et des coupleurs, ainsi que les circuits de contrôle visant à gérer les champs magnétiques, crée une maille intégrée d’appareils quantiques programmables. Lorsque le QPU arrive à la résolution d’un problème, tous les qubits passent à leur état final et les valeurs qu’ils renferment sont renvoyées à l’utilisateur.

Les clients d’Amazon Braket disposeront d’un accès direct et en temps réel aux ordinateurs quantiques de D-Wave. Afin d’optimiser l’utilisation de notre système, les clients AWS vont utiliser le SDK D-Wave Ocean, un ensemble d’outils Python qui prennent en charge le mappage du problème en traduisant les objectifs de l’application en une forme convenable pour la solution sur l’ordinateur quantique de D-Wave, pour ensuite recevoir les solutions convenant à l’application d’origine. Le SDK comprend également une API Uniform Sampler, une couche d’abstraction représentant le problème sous une forme utilisable par l’ordinateur quantique, ainsi que des outils de sélection d’échantillonneur permettant à l’utilisateur de déterminer les diverses méthodes (appelées « échantillonneurs ») à utiliser pour résoudre les problèmes. Les méthodes incluent l’exécution de recuit quantique, le matériel informatique classique exécutant des algorithmes classiques, ou d’éventuels échantillonneurs personnalisés.

Alors que les utilisateurs envoient des problèmes au système de différentes manières, un problème est au final représenté comme un ensemble de valeurs correspondant aux poids des qubits et à la force des coupleurs. Les solutions aux problèmes correspondent à la configuration optimale des qubits trouvés ; les points les plus bas dans le payasage énergétique. Ces valeurs sont renvoyées à l’utilisateur. Comme les ordinateurs quantiques sont plus probabilistes que déterministes, plusieurs valeurs peuvent être renvoyées. Ces valeurs représentent un ensemble de bonnes solutions, si elles ne sont optimales, à un problème.

IonQ

IonQ est un leader dans l’informatique quantique universel. Pour nous, le meilleur moyen de créer un ordinateur quantique est de commencer par sa nature : IonQ utilise des atomes individuels au cœur de ses processeurs quantiques. Nous les faisons léviter dans un espace à l’aide d’électrodes définies par des semiconducteurs sur une puce. Ensuite, nous utilisons des lasers pour la préparation initiale, les opérations de porte et le relevé final. L’assemblage de tous ces composants nécessite une physique contre-intuitive, une optique de précision et de l’ingénierie mécanique, ainsi qu’un contrôle micrologiciel précis sur divers composants. IonQ a été fondée en 2015 par Jungsang Kim et Christopher Monroe.

IonQ Logo

L’exécution de tâches informatiques sur notre ordinateur quantique se fait en programmant la séquence des impulsions laser servant à mettre en place chaque opération de porte quantique. L’architecture de notre système favorise les opérations de porte entre un ensemble arbitraire de bits quantiques (qubits) dans le système, ce qui en fait une machine de calcul polyvalente capable d’exécuter efficacement une large gamme d’algorithmes quantiques. Notre système est capable d’exécuter un grand nombre d’algorithmes quantiques conçus pour gérer les problèmes d’applications de chimie et de simulation des matériaux, de logistique et d’optimisation, de pharmacie et de sécurité.

L’approche de l’informatique quantique axée sur le piège à ions d’IonQ découle des atomes d’ytterbium ionisés. Deux états internes de ces atomes identiques créent les qubits, les éléments les plus importants de n’importe quel ordinateur quantique. Dans l’univers, chaque atome d’ytterbium est parfaitement identique à un autre. Dans un premier temps, nous retirons un électron à l’atome pour en faire un ion, puis nous utilisons une puce spécialisée, que nous appelons piège linéaire à ion, pour le conserver précisément dans un espace 3D. Le piège comporte environ 100 mini-électrodes spécifiquement conçues, fabriquées et contrôlées pour produire des forces électromagnétiques qui gardent nos ions en place, isolés de l’environnement afin de minimiser le bruit et les perturbations environnementaux.

Dès lors que le premier ion est en place, nous pouvons charger d’autres ions selon une chaîne linéaire. Cette reconfigurabilité à la demande nous permet de créer, en théorie, un système à un qubit ou à des centaines de qubits (impossible pour le moment), sans avoir à fabriquer de nouvelle puce ou à modifier le matériel impliqué. Dès lors que les atomes sont piégés, nous pouvons les préparer à passer dans n’importe quel état quantique. Après quoi, ils restent indéfiniment dans ce état tant que les qubits sont adéquatement isolés de l’environnement. Avant de pouvoir utiliser nos ions pour les calculs quantiques, nous devons les préparer pour cette tâche. Cette préparation comprend deux étapes : le refroidissement, pour réduire le bruit informatique, et la préparation à l’état, qui initialise chaque ion et le met dans un état « zéro » bien défini et prêt à l’emploi.

Nous réalisons des opérations de porte grâce à un réseau de faisceaux laser individuels, chacun imagé sur un ion donné, plus un faisceau « global ». L’interférence entre les deux faisceaux produit un signal de contrôle qui met les qubits dans un état différent. Nous pouvons manipuler l’état des ions pour créer des portes à un ou deux qubits. À ce jour, nous avons exploité des portes à un qubit sur une chaîne à 79 ions, ainsi que des algorithmes complexes constitués de plusieurs portes à deux qubits sur des chaînes allant jusqu’à 11 ions. Une fois le calcul effectué, la lecture des résultats se fait en envoyant un laser résonant sur tous les ions à fin de faire passer les informations quantiques dans l’un des deux états. La collecte et la mesure de cette lumière nous permet de lire en simultané l’état effondré de chaque ion ; un de ces états brille en réponse au laser, alors que l’autre non. Nous interprétons le résultat comme un segment binaire. Pour isoler les qubits d’ion atomique de l’environnement, nous plaçons le piège dans une chambre ultravide dépressurisées d’environ 10-11 Torr. À cette pression, il y a moins de molécules dans un volume donné que dans l’espace.

Rigetti

Rigetti Computing crée et déploie des systèmes informatiques quantiques intégrés exploitant la technologie des qubits superconducteurs. Ces systèmes permettent aux organisations d’amplifier les workflows informatiques existants grâce à de puissants processeurs quantiques. Rigetti travaille avec clients des secteurs de la finance, de l’assurance, de la pharmaceutique, de la défense et de l’énergie avec des solutions logicielles personnalisées et intégrales axées sur des applications de simulation, d’optimisation et de machine learning. La société est basée en Californie, aux États-Unis, et compte des bureaux à Washington, DC, en Australie et au Royaume-Uni.

Rigetti_Computing

Les processeurs quantiques de Rigetti sont des machines universelles basées sur les portes et les qubits superconducteurs. Nos puces Aspen comportent des réseaux raccordables de qubits superconducteurs à fréquence fixe alternative et ajustables dans une architecture système dimensionnable à de grands nombres de qubits. Les portes logiques d’enchevêtrement paramétrique de ces puces permettent de raccourcir les délais des portes et accélèrent les débits d’exécution de programme. Les puces quantiques Aspen sont fabriquées dans la fonderie dédiée de Rigetti à l’aide de techniques de fabrication de points pour les circuits superconducteurs. Il en résulte une combinaison puissante de précision, d’échelle et de vitesse.
Les processeurs Rigetti se composent de trois principaux sous-systèmes. Tout d’abord, les programmes de l’utilisateur sont optimisés en instructions natives pour les machines grâce à une chaîne d’outils de compilation efficace. Ensuite, un contrôleur matériel à faible latence séquence ces instructions sous forme de signaux électriques étalonnés. Enfin, les qubits constitués d’éléments de circuit superconducteurs cohérents transduisent ces signaux électriques de manière logique sous forme de portes quantiques numériques et d’instructions de mesure.

Le graphique de connectivité de la puce Aspen est octogonal et compte 3 plis (2 plis en périphérie). Le compilateur quilc de Rigetti mappe un algorithme quantique abstrait sur ce réseau de connexions physiques. Les portes « SWAP », avec des états quantiques d’échange entre les qubits sans enchevêtrement, peuvent acheminer les informations quantiques dans le processeur Aspen pour lier des qubits éloignés. Comme ces opérations peuvent être coûteuses, le compilateur quilc est parfaitement optimisé pour le « problème de disposition ». Plus spécifiquement, les profondeurs compilées pour les programmes sur les graphiques Aspen sont souvent évaluées comme étant inférieures ou presque égales à une construction de programme en série tout à tout.

Le mécanisme de porte à enchevêtrement à deux qubits de Rigetti (généralement une porte à contrôle par phase ou « CZ ») est déclenché par contrôle électrique de modulation de fréquence (FM). Pour cette classe de « portes paramétriques », le contrôleur exécute une instruction de porte CZ par le biais électrique pour gérer les points de fonctionnement de radiofréquence (GHz) d’un qubit (imaginez le bouton rotatif d’une radio). Il peut ensuite mettre ce spectre FM en résonance avec un qubit voisin le plus proche pour une durée précisément définie. Sur le graphique Aspen, ce schéma requiert qu’au moins la moitié des qubits soient ajustables à l’aide de la modulation de fréquence. Pour évaluer l’effet de la décohérence sur une algorithme, les durées de vie des qubits (environ 25 à 50 μs) peuvent être comparées à la durée de porte (environ 50 à 200 ns) multipliée par la profondeur de circuit de l’algorithme. Ces durées, pour le dernier processeur de Rigetti (Aspen-7) et basées sur un facteur de forme de 32 qubits, sont indiquées dans le tableau 1.

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Figure 1 : Topologie de circuit dimensionnable pour les puces Aspen de Rigetti. Les qubits sont marqués en base 8 et les connexion qubit-qubit sont indiquées sur le graphique.

Rigetti Aspen-7

Moy. Durée (μs)

Durée de vie T1

41

Durée de vie T2

35

Opération de porte (un qubit)

0,080

Opération de porte (deux qubits)

0,34

Opération de lecture

1,3

Opération de réinitialisation de registre

10

Tableau 1 : Durées de vie et vitesses d’opération pour le processeur Aspen-7. Données recueillies le 24/10/2019.

Rigetti Aspen-7

Moy. Fidélité (par op.)

Portes (un qubit)

98,7 %

Portes (deux qubits)

95,2 %

SPAM

96,4 %

Op. géométrique moyenne

97,2 %

Tableau 2 : Fidélité par opération pour le processeur Aspen-7. Données recueillies le 24/10/2019.

Le tableau 2 montre les fidélités moyennes pour des portes à un et deux qubits, ainsi que pour les instructions de mesure et de préparation d’état (SPAM) pour le processeur Aspen-7. Alors que des bancs d’essai plus complexes sont exécutables sur des ordinateurs quantiques universels, une approximation de premier ordre pour des performances au niveau de la puce correspond à la moyenne géométrique de chaque type d’instruction. Par exemple, sur les opérations médianes à un qubit, deux qubits et de préparation/lecture de registre d’une puce, la puce Aspen-7 a une fidélité moyenne de 97,2 %. Dans le circuit intégré, les voies traversant du silicone et un blindage superconducteur lié à une puce retournée permettent de réduire les croisements de signal de contrôle falsifiés sur la puce.

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