D-Wave

D-Wave è leader nello sviluppo e nella distribuzione di sistemi di computing, software e servizi quantistici, nonché il primo fornitore mondiale di computer quantistici. La nostra missione consiste nello sfruttare la potenza del computing quantistico creando valore per i clienti attraverso applicazioni pratiche. I nostri sistemi sono utilizzati da alcune tra le organizzazioni più evolute al mondo che spaziano da aziende presenti su scala globale quali Lockheed Martin, DENSO e Volkswagen, a centri di ricerca nazionali quali NASA Ames, Los Alamos National Lab, Oak Ridge National Lab e Forschungszentrum Jülich.

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Il computer quantistico D-Wave utilizza le dinamiche quantiche per accelerare e permettere l'introduzione di nuovi metodi atti a risolvere problemi di ottimizzazione discreta complessa, soddisfacimento di vincoli, intelligenza artificiale, machine learning, scienza dei materiali e simulazione. Queste tipologie di problemi si riscontrano in una vasta gamma di applicazioni in aree molto differenti tra loro come, ad esempio, la modellizzazione finanziaria, la programmazione del trasporto aereo, la modellizzazione della partecipazione elettorale, la chimica quantistica, la simulazione fisica, la progettazione di automobili, l'assistenza sanitaria preventiva, la logistica e tante altre ancora.

Il nostro sistema utilizza la ricottura quantistica per risolvere problemi rappresentati come funzioni matematiche (simili a un paesaggio fatto di vette e valli) sfruttando gli effetti quanto-meccanici, tra cui la sovrapposizione, la correlazione e il tunnel, per trovarne il minimo globale corrispondente alle soluzioni ottimali o subottimali. Il nostro dispositivo ha un ingombro di circa 10’ x 7’ x 10’. Per una singola quantum processing unit (QPU), la custodia del dispositivo alloggia sofisticati sistemi di refrigerazione criogenica, schermatura e I/O. Affinché gli effetti quantistici giochino un ruolo nella fase di calcolo, è necessario che la quantum processing unit (QPU) si trovi in un ambiente isolato. Il refrigeratore e la schermatura creano un ambiente interno ad alto vuoto la cui temperatura è vicina allo zero assoluto, isolato dai campi magnetici esterni, dalle vibrazioni e dai segnali di radiofrequenza (RF).

La quantum processing unit è costruita da una rete di qubit (bit quantici) di flusso superconduttori interconnessi. Ogni qubit è costituito da un minuscolo anello di metallo interrotto da una giunzione Josephson. Alle basse temperature presenti nel nostro sistema questi anelli diventano dei superconduttori e esibiscono effetti quanto-meccanici. Quando un qubit si trova in uno stato quantico, la corrente scorre simultaneamente in entrambe le direzioni, vale a dire che il qubit è in sovrapposizione, ovvero si trova contemporaneamente in uno stato 0 e 1. Alla fine del processo di risoluzione del problema, questa sovrapposizione collassa in uno dei due stati classici: 0 oppure 1.

Per passare da una QPU a singolo qubit ad una con qubit multipli è necessario che i qubit siano interconnessi in modo da poter scambiare le informazioni. I qubit sono connessi attraverso accoppiatori che rappresentano a loro volta degli anelli superconduttori. L'interconnessione di qubit e accoppiatori, accompagnata da una circuiteria di controllo per gestire i campi magnetici, crea un tessuto integrato di dispositivi quantici programmabili. Quando la QPU giunge alla soluzione del problema, tutti i qubit si stabilizzano nei rispettivi stati finali e i valori che contengono sono restituiti all'utente

I clienti di Amazon Braket avranno accesso diretto in tempo reale ai computer quantici D-Wave. Per ottimizzare l'utilizzo del nostro sistema i clienti di AWS utilizzeranno il D-Wave Ocean SDK, un insieme di strumenti Python che supportano la mappatura dei problemi traducendo gli obiettivi dell'applicazione in una forma adatta alla soluzione del problema sul computer quantico D-Wave per poi restituire soluzioni adatte all'applicazione originale. L'SDK include anche un'API Uniform Sampler, un livello di astrazione che rappresenta il problema in una forma utilizzabile dal computer quantico nonché degli strumenti "sampler selection" che consentono all'utente di stabilire quale metodo usare, tra i vari disponibili, per risolvere i problemi. Tra i metodi ricordiamo l'esecuzione della ricottura quantistica, l'esecuzione dei classici algoritmi effettuata dai classici computer hardware o possibilmente i sampler creati su misura.

Mentre gli utenti possono presentare il problema al sistema in svariati modi, in ultima analisi un problema è rappresentato come un insieme di valori che corrispondono ai pesi dei qubit e alla forza degli accoppiatori. Le soluzioni del problema corrispondono alla configurazione ottimale dei qubit trovati, vale a dire i punti più bassi all'interno panorama energetico. Sono questi i valori che vengono restituiti all'utente. Data la natura probabilistica piuttosto che deterministica dei computer quantici, l'utente può ricevere valori multipli che rappresentano un insieme di soluzioni accettabili, se non ottimali, del problema.

IonQ

IonQ è leader del computing quantistico universale. Crediamo che il modo migliore per costruire un computer quantistico consista nel partire dalla natura: il fulcro delle quantum processing unit di IonQ è rappresentato da singoli atomi. Li facciamo levitare nello spazio con elettrodi semiconduttori su un chip. Utilizziamo quindi i laser per la preparazione iniziale, le operazioni dei gate (porta) e la lettura finale. Per integrare il tutto bisogna ricorrere alla fisica controintuitiva, alla precisione ottica e all'ingegneria meccanica, nonché a un controllo minuzioso del firmware su una vasta gamma di componenti. IonQ è stata fondata nel 2015 da Jungsang Kim e Christopher Monroe.

IonQ Logo

Per eseguire attività di calcolo sul nostro computer quantistico programmiamo la sequenza di impulsi laser utilizzati per implementare ciascuna operazione di gate quantistico. L'architettura del sistema consente operazioni di gate tra un insieme arbitrario di bit quantistici (qubit) presenti nel sistema, e ne fa una macchina di calcolo estremamente versatile in grado di eseguire in maniera efficiente una vasta gamma di algoritmi quantistici. Il nostro sistema è in grado di eseguire un'ampia gamma di algoritmi quantici atti a risolvere problemi nel campo della simulazione chimica e dei materiali, nel settore della logistica e dell'ottimizzazione e delle applicazioni farmaceutiche e di sicurezza.

L'approccio a ioni intrappolati utilizzato da IonQ per il computing quantistico parte da atomi di itterbio ionizzati. I qubit, la parte più importante di qualunque computer quantistico, sono costituiti da due stati di questi atomi identici. Ogni atomo di itterbio è perfettamente identico a qualunque altro atomo di itterbio presente nell'universo. In primo luogo strappiamo un elettrone dall'atomo per trasformare l'atomo in uno ione e usiamo un chip specializzato denominato trappola ionica lineare per mantenerlo con precisione nello spazio 3D. La trappola presenta circa 100 minuscoli elettrodi minuziosamente disegnati, fabbricati e controllati che producono le forze elettromagnetiche che mantengono gli ioni al loro posto, isolati dall'ambiente in modo da minimizzare il rumore ambientale e la decoerenza.

Una volta che il primo ione è al suo posto possiamo caricare un numero qualunque di ioni in una sequenza lineare. Questa riconfigurabilità on demand ci permette di creare teoricamente qualsiasi cosa, da un sistema a qubit singolo a un sistema a più di 100 qubit (non disponibile al momento) senza dover fabbricare un nuovo chip o modificare l'hardware sottostante. Una volta che gli atomi sono stati intrappolati possiamo prepararli in qualunque stato quantistico: rimarranno in tale stato indefinitamente a condizione che i qubit siano adeguatamente isolati dall'ambiente. Prima di poter utilizzare gli ioni per effettuare calcoli quantistici dobbiamo prepararli all'attività. Ciò comporta due fasi: il raffreddamento, per ridurre il rumore dovuto al calcolo e la preparazione dello stato che inizializza ciascuno ione in uno stato "zero" ben definito, pronto per essere utilizzato.

Effettuiamo le operazioni di gate con una gamma di raggi laser singoli, ciascuno irradiato su un singolo ione, a cui si aggiunge un raggio "globale". L'interferenza tra i due raggi produce un segnale di controllo che può spingere i qubit in uno stato diverso. Possiamo manipolare lo stato degli ioni per creare porte a qubit singolo e a due qubit. Fino ad oggi abbiamo eseguito porte a qubit singolo su una catena di 79 ioni e algoritmi complessi consistenti in porte multiple a due qubit su catene fino a 11 ioni. Terminata la fase di calcolo, si effettua la lettura del risultato dirigendo la luce di un laser risonante su tutti gli ioni in modo da far collassare l'informazione quantistica in uno o due stati. La raccolta e la misura di questa luce ci permette di leggere simultaneamente lo stato collassato di ogni ione - solo uno di questi due stati brilla in risposta alla luce del laser. Interpretiamo i risultati come una stringa binaria. Per isolare i qubit dello ione atomico dall'ambiente inseriamo la trappola all'interno di una camera sotto ultra alto vuoto, pompata fino a una pressione di circa 10-11 torr. A questo livello di pressione il numero di molecole presenti in un volume dato è inferiore al numero di molecole presenti nello spazio esterno.

Rigetti

Rigetti Computing costruisce e distribuisce sistemi di computing quantistico che utilizzano la tecnologia dei qubit superconduttori. Questi sistemi consentono alle organizzazioni di aumentare i flussi di lavoro computazionali con potenti processori quantistici. Rigetti serve clienti del settore della finanza, delle assicurazioni, della farmaceutica, della difesa e dell'energia con software su misura e soluzioni complete basate su applicazioni di simulazione, ottimizzazione e machine learning. L'azienda ha sede in California (Stati Uniti) e uffici a Washington D.C., in Australia e nel Regno Unito.

Rigetti_Computing

I processori quantistici di Rigetti sono macchine universali basate sul modello dei gate e sui qubit superconduttori. I chip della serie Aspen presentano reticoli sovrapponibili in cui qubit superconduttori a frequenza fissa si alternano a qubit sintonizzabili all'interno di un'architettura di sistema modulabile per grandi quantità di qubit. I chip presentano inoltre porte logiche parametriche correlate che consentono tempi di gate rapidi e celerità nell'esecuzione dei programmi. I chip quantistici della serie Aspen sono prodotti nella fonderia dedicata ai dispositivi Rigetti che utilizza tecniche d'avanguardia per la produzione di circuiti superconduttori. Ne risulta un'efficace combinazione di precisione, portata e velocità.
I processori Rigetti constano di tre sottosistemi principali. In primo luogo i programmi utente sono ottimizzati in istruzioni macchina native grazie a un efficiente compilatore tool chain. A seguire, un controller hardware a bassa latenza mette in sequenza le istruzioni sotto forma di segnali elettrici calibrati. Infine i qubit, costituiti da elementi di circuiti superconduttori coerenti, convertono logicamente i segnali elettrici sotto forma di porte quantistiche digitali e istruzioni di misurazione.

Il diagramma della connettività del chip Aspen è ottagonale con una triplice connessione (duplice per gli edge). Il compilatore Rigetti quilc mappa un algoritmo quantistico astratto in questo network di connessioni fisiche. Le porte "SWAP", che convertono gli stati quantistici tra i qubit senza metterli in correlazione, possono veicolare le informazioni quantistiche attraverso il processore Aspen per collegare qubit non immediatamente vicini. Poiché queste operazioni possono essere onerose, il compilatore quilc è perfettamente ottimizzato per il "problema layout". In particolare, le profondità compilate per i programmi sui grafici Aspen sono spesso stimate essere minori o approssimativamente pari alla struttura di un programma seriale, globale.

Il meccanismo di Rigetti fondato sulla della porta che correla due qubit (generalmente una porta a fase controllata o una porta "CZ") è azionato attraverso il controllo della modulazione di frequenza (FM). Per questa classe di "porte parametriche" il controller esegue un'istruzione di porta CZ attraverso la polarizzazione elettrica che gestisce i punti operativi di un qubit in radiofrequenza (GHz) - si pensi alla "sintonizzazione radio" -, ponendo questo spettro FM in risonanza con il qubit vicino più prossimo per un periodo di tempo dato. Sul grafico Aspen questo schema necessita che almeno la metà dei qubit siano sintonizzabili in modulazione di frequenza (FM). Per stimare l'effetto della decoerenza su un algoritmo il tempo di vita dei qubit (~25-50 μs) dovrebbe essere paragonato alla durata del gate (~50-200 ns) moltiplicato per la profondità del circuito dell'algoritmo. La tabella 1 illustra i tempi di vita per l'ultimo processore Rigetti (Aspen-7), basati su un fattore forma a 32 qubit.

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Figura 1 - Topologia di circuito modulare dei chip della serie Aspen di Rigetti, con qubit etichettati su base 8 e connessioni dirette qubit-qubit illustrate sotto forma di grafico.

Rigetti Aspen-7

Media Durata (μs)

Tempo di vita T1

41

Tempo di vita T2

35

Operazione di porta a qubit singolo

0,080

Operazione di porta a due qubit

0,34

Operazione di lettura

1,3

Operazione di ripristino del registro

10

Tabella 1 - Tempi di vita e velocità operative per il processore Aspen-7. Dati rilevati il 24/10/2019.

Rigetti Aspen-7

Media Accuratezza (per op.)

Porte a qubit singolo

98,7 %

Porte a due qubit

95,2 %

SPAM

96,4 %

Op. di media geometrica

97,2 %

Tabella 2 - Accuratezza per operazione per il processore Aspen-7. Dati rilevati il 24/10/2019.

In tabella 2 sono illustrate la medie di accuratezza tipica dell'Aspen-7 per quanto concerne le porte a singolo qubit e a due qubit, nonché per le istruzioni relative alla preparazione e alla misurazione dello stato di un qubit (SPAM). Sebbene i computer quantistici universali si prestino all'utilizzo di standard di riferimento più complessi, la media geometrica di ciascun tipo di istruzione rappresenta un'approssimazione di primo ordine per valutare le prestazioni in termini di chip; i.e. sulla mediana delle operazioni qubit singolo, due qubit e preparazione del registro/lettura di un chip, il chip Aspen-7 presenta un'accuratezza media del 97,2%. All'interno del circuito integrato percorsi in silicio e uno schermo superconduttore saldato con la tecnologia flip-chip riducono al minimo il crosstalk dei segnali di controllo spuri sul chip.

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