D-Wave

D-Wave は、量子コンピューティングのシステム、ソフトウェア、サービスの開発と提供におけるリーダーです。商用の量子コンピュータを世界で初めてリリースした企業でもあります。当社の使命は、実用的なアプリケーションによってお客様に価値を提供することで、量子コンピューティングの力を最大限に引き出すことです。当社のシステムは、Lockheed Martin、DENSO、Volkswagen などの世界規模の企業から、NASA Ames、Los Alamos National Lab、Oak Ridge National Lab、Forschungszentrum Jülich などの国の研究センターまで、世界で最も先進的な組織によって使用されています。

d-wave-systems_logo_201804131305387

D-Wave 量子コンピュータは、量子力学を利用して、複雑な離散最適化、制約充足、人工知能、機械学習、材料科学、シミュレーション問題を解決するための新しい方法を促進し、実現します。このような問題のタイプは、財務モデリング、航空機材のスケジューリング、選挙モデリング、量子化学、物理シミュレーション、自動車設計、予防医療、ロジスティクスなどのさまざまな分野の多様なアプリケーションに応用できます。

当社のシステムでは量子アニーリングを使用し、重ね合わせ、もつれ、トンネル効果などの量子力学的効果を利用して、最適解または近最適解に相当する大グローバルミニマムを見つけることで、数学関数 (山と谷のある地形に似ている) として表される問題を解決します。D-Wave のデバイスの設置面積は約 10 x 7 x 10 フィートです。この物理筐体には、1 つの量子処理ユニット (QPU) をサポートするために高度な極低温冷凍機、シールド、I/O システムが格納されています。量子効果が計算で役割を発揮するには、隔離された環境を QPU に用意する必要があります。冷凍機とシールド層により、内部に高真空環境が構築され、温度は絶対零度近くになります。この環境は、外部の磁場、振動、RF 信号から隔離されています。

QPU 自体は、相互に接続された超伝導磁束量子ビットのネットワークから構築されています。各量子ビットは、ジョセフソン接合によって遮断された金属の小さいループから作られています。当社のシステムでは、これらのループは低温で超伝導体になり、量子力学的効果を発揮します。量子ビットが量子状態になると、電流が双方向に同時に流れます。これは、量子ビットが重ね合わせ状態になったことを意味します。つまり、同時に 0 と 1 の状態になります。問題解決プロセスの最後に、この重ね合わせ状態は、2 つの古典的な状態 (0 または 1) のどちらかに崩壊します。

1 つの量子ビットから複数の量子ビットになると、QPU では、情報を交換するために量子ビットが相互に接続される必要があります。量子ビットはカプラーで接続されます。カプラーは超伝導ループです。量子ビットとカプラーの相互接続と、磁場を管理するための制御回路により、プログラマブル量子デバイスの集積構造が作られます。QPU が問題の解に到達すると、すべての量子ビットは最終状態になり、その量子ビットが保有している値がユーザーに返されます。

Amazon Braket のお客様は、D-Wave の量子コンピュータにライブかつリアルタイムでアクセスできます。AWS のお客様は、当社のシステムを最適化するために、D-Wave Ocean SDK を使用します。これは、問題マッピングをサポートする Python ツールで、アプリケーションの目的を D-Wave の量子コンピュータでの解に適した形に変換し、元のアプリケーションに適した解を返します。SDK には、Uniform Sampler API (量子コンピュータで使用できる形で問題を表す抽象化レイヤー) と、サンプラー選択ツール (複数の方法 ("サンプラー" と呼ばれる) の中から問題を解決するために使用する方法をユーザーが指示できる) も用意されています。そうした方法には、量子アニーリングの実行、古典コンピュータのハードウェアでの古典アルゴリズムの実行、場合によっては特別設計されたサンプラーが用意されています。

ユーザーは、さまざまな方法でシステムに問題を送信できます。最終的に問題は、量子ビットの重さとカプラーの強度に相当する一連の値として表されます。問題の解は、見つかった量子ビットの最適な構成、つまり、エネルギー地形の最も低い地点に相当します。これらの値がユーザーに返されます。量子コンピュータは決定的ではなく、確率的であるため、最適ではない場合、問題の良い解を表す複数の値が返される場合があります。

IonQ

IonQ は汎用量子コンピューティングのリーダーです。当社では、量子コンピュータを構築するための最適な方法は、自然から始めることだと考えています。このため、IonQ では、量子処理ユニットの中核として個別の原子を使用しています。チップ上で半導体によって定義された電極を使用して原子を空中に浮き上がらせます。その後、レーザーを使用して最初の準備、ゲート操作、最後の読み出しを行います。すべてをまとめるには、反直感的物理学、精密光学、機械工学、さまざまなコンポーネントに対するきめ細かいファームウェア制御が必要です。IonQ は 2015 年に Jungsang Kim と Christopher Monroe によって設立されました。

IonQ Logo

当社の量子コンピュータでの計算タスクは、各量子ゲート操作の実装に使用される一連のレーザー光をプログラミングすることで実行されます。当社のシステムアーキテクチャでは、システム内で任意のセットの量子ビット間でゲート操作を実行できるため、さまざまな量子アルゴリズムを効率的に実行できる非常に多目的なコンピューティングマシンが実現します。当社のシステムでは、化学と材料のシミュレーション、ロジスティクスと最適化、製薬、セキュリティアプリケーションの問題に対応できるように設計されたさまざまな量子アルゴリズムを実行できます。

IonQ の量子コンピューティングに対するトラップイオンアプローチは、イオン化されたイッテルビウム原子から始まります。これらの同一原子の 2 つの内部状態によって、量子コンピュータで最も重要な部分である量子ビットが作られます。各イッテルビウム原子は、全世界の他のすべてのイッテルビウム原子と完全に同一です。最初に原子から電子を取り除き、原子をイオンに変え、リニアイオントラップと呼ばれる特別なチップを使用して、3D 空間で正確に保持します。このトラップでは、正確に設計、製造、制御された約 100 個の小さい電極を使用し、環境のノイズとデコヒーレンスを最小限に抑えるために環境から隔離された場所でイオンを保持する電磁力を生成します。

最初のイオンが配置されると、任意の数のイオンを線形チェーンに配置できます。このようにオンデマンドで再構成できるため、新しいチップを製造したり、基盤となるハードウェアを変更したりしなくても、理論的には 1 量子ビットのシステムから 100 個以上の量子ビットのシステム (現時点では実現できない) まであらゆるものを作成できます。原子がトラップされると、その原子を任意の量子状態で準備できます。その原子は、量子ビットが環境から適切に隔離されている限り、無期限でその状態に留まります。イオンを使用して量子計算を実行できるようにするには、タスクに合わせてイオンを準備する必要があります。この準備には、冷却と状態の準備という 2 つの手順が必要です。冷却では計算ノイズを低減し、状態の準備では各イオンをすぐに使えるように "ゼロ" 状態に初期化します。

当社では、各レーザー光が個別のイオンに照射される個別のレーザー光の配列と、1 つの "グローバル" ビームでゲート操作を実行します。2 つの光間の干渉によって、量子ビットを別の状態にすることができる制御信号が生まれます。イオンの状態を操作して、1 量子ビットゲートと 2 量子ビットゲートを作成できます。当社では、今までに 79 個のイオンで構成されるチェーンで 1 量子ビットゲートを実行し、最大 11 個のイオンで構成されるチェーンで複数の 2 量子ビットゲートからなる複雑なアルゴリズムを実行しました。計算が実行されると、共振レーザーをすべてのイオンに照射し、量子情報を 2 つの状態のいずれかに崩壊させることで結果を読み取ります。この光を集めて測定することで、すべてのイオンの崩壊した状態を同時に読み取ることができます。2 つの状態のうちの 1 つがレーザー光に反応して光り、もう一方は光りません。この結果をバイナリ文字列として解釈します。原子イオン量子ビットを環境から隔離するためには、約 10-11 トールの圧力まで減圧された超高真空室内にトラップを配置する必要があります。この圧力では、特定の体積に含まれる分子の数が外の空間よりも少なくなります。

Rigetti

Rigetti Computing では、超伝導量子ビット技術を利用する統合量子コンピューティングシステムを構築およびデプロイしています。このシステムにより、強力な量子プロセッサを使用して既存の計算ワークフローを強化できます。Rigetti では、金融、保険、製薬、国防、エネルギー分野のお客様にサービスを提供しています。また、シミュレーション、最適化、機械学習の各アプリケーションに焦点を合わせたカスタムソフトウェアとフルスタックソリューションも提供しています。本社は米国カリフォルニア州にあり、ワシントン D.C.、オーストラリア、イギリスに事務所があります。

Rigetti_Computing

Rigetti の量子プロセッサは超伝導量子ビットをベースとした汎用ゲートモデルマシンです。当社の Aspen シリーズのチップは、システムアーキテクチャ内に交流の固定周波数と同調可能な超伝導量子ビットのタイル状の格子があることが特長です。このシステムアーキテクチャは大きな数の量子ビットにスケールできます。また、このチップ上のパラメトリックもつれ論理ゲートにより、速いゲート時間とプログラム実行速度を実現しています。Aspen シリーズの量子チップは、Rigetti の専用デバイス工場で製造されています。超伝導回路には最先端の製造手法が使用されています。その結果、優れた形で精度、スケール、速度が同時に実現しています。
Rigetti のプロセッサは 3 つ主要サブシステムによって構成されています。まず、ユーザープログラムは効率的なコンパイラツールチェーンによってマシンネイティブの命令に最適化されます。次に、低レイテンシーのハードウェアコントローラーにより、これらの命令が校正された電気信号として順番に並べられます。最後に、コヒーレントな超伝導回路素子から作られた量子ビットにより、これらの電気信号がデジタル量子ゲートと測定命令として論理的に変換されます。

Aspen チップの結合グラフは 3 つの部分 (2 つの部分は境界用) で構成される八角形の結合物です。Rigetti の quilc コンパイラでは、抽象的な量子アルゴリズムをこの物理接続ネットワークにマッピングします。"SWAP" ゲートでは、量子ビットをもつれさせることなく量子ビット間で量子状態を交換します。このゲートでは、Aspen プロセッサ全体で量子情報をシャトルし、最近傍ではない量子ビットを結び付けます。この操作はコストが高くなる可能性があるため、quilc コンパイラは "レイアウト問題" に対して高度に最適化されています。 特に、Aspen グラフのプログラムのコンパイルされた深さは、多くの場合、All-to-All のシリアルプログラム構造よりも少ないか、ほぼ等しいと推定されます。

Rigetti の 2 量子ビットもつれゲートメカニズム (通常、制御位相ゲートまたは "CZ" ゲート) は、電気周波数変調 (FM) 制御によって作動します。この種類の "パラメトリックゲート" の場合、コントローラーでは、1 量子ビットの無線周波数 (GHz) 動作点を管理する電気バイアス ("無線のダイヤル" と考える) によって CZ ゲート命令を実行し、この FM スペクトルを正確に定義された期間中、最近傍量子ビットとの共振に変えます。Aspen グラフでこの方式を実現するには、量子ビットの少なくとも半分が FM 同調可能である必要があります。アルゴリズムでデコヒーレンスの効果を見積もるためには、量子ビットの有効期間 (約 25~50 μs) は、アルゴリズムの回路の深さを掛けたゲート期間 (約 50~200 ns) に匹敵する必要があります。32 量子ビットフォームファクタをベースとする最新の Rigetti プロセッサ (Aspen-7) では、これらの時間は表 1 に示す値となっています。

rsz_rigetti_figure64ba7215f8ce1086540e2b602ccd9b8d86b1b633
図 1 – Rigetti Aspen シリーズチップのスケーラブルな回路トポロジー、量子ビットは 8 進法でラベル付けされ、量子ビット間の直接接続が図に示されている

Rigetti Aspen-7

平均時間 (μs)

T1 有効期間

41

T2 有効期間

35

1 量子ビットゲートの操作

0.080

2 量子ビットゲートの操作

0.34

読み出し操作

1.3

レジスタリセット操作

10

表 1 – Aspen-7 プロセッサの有効期間と操作速度、データは 2019 年 10 月 24 日に測定

Rigetti Aspen-7

平均忠実度 (1 操作あたり)

1 量子ビットゲート

98.7%

2 量子ビットゲート

95.2%

SPAM

96.4%

幾何平均操作

97.2%

表 2 – Aspen-7 プロセッサの 1 操作あたりの忠実度、データは 2019 年 10 月 24 日に測定

Aspen-7 の 1 量子ビットゲート、2 量子ビットゲート、状態準備と測定 (SPAM) の各命令の典型的な平均忠実度を表 2 に示します。より複雑なベンチマークは汎用量子コンピュータで実行できますが、チップレベルのパフォーマンスの一次近似は、各命令タイプ、つまり、チップの中央値の 1 量子ビット操作、2 量子ビット操作、レジスタ準備/読み出し操作に対する幾何平均です。Aspen-7 チップは 97.2% の平均忠実度を達成しています。集積回路内では、シリコン貫通電極とフリップチップ接合超伝導シールドによって、チップ上のスプリアス制御信号クロストークを最小限に抑えています。

Product-Page_Standard-Icons_01_Product-Features_SqInk
ご質問がありますか?

Amazon Braket のよくある質問を確認する

詳細はこちら 
Product-Page_Standard-Icons_02_Sign-Up_SqInk
無料のアカウントにサインアップ

AWS 無料利用枠にすぐにアクセスできます。 

サインアップ 
Product-Page_Standard-Icons_03_Start-Building_SqInk
プレビューにサインアップ

プレビューにサインアップして使用開始する

サインアップ 
ページコンテンツ
D-Wave IonQ Rigetti