D-Wave

D-Wave는 양자 컴퓨팅 시스템, 소프트웨어 및 서비스의 개발 및 제공 분야의 리더이며, 세계 최초의 양자 컴퓨터 상용 공급업체입니다. D-Wave의 미션은 실용적인 애플리케이션을 통해 고객 가치를 제공함으로써 양자 컴퓨팅의 역량을 펼치는 것입니다. 당사의 시스템은Lockheed Martin, DENSO, Volkswagen과 같은 세계적인 기업부터NASA Ames, Los Alamos National Lab, Oak Ridge National Lab, Forschungszentrum Jülich와 같은 국가 연구 센터에 이르기까지 세계에서 가장 선진적인 조직에서 사용하고 있습니다.

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D-Wave 양자 컴퓨터는 양자 역학을 활용하여 복잡한 이산형 최적화, 제약식 만족, 인공 지능, 기계 학습, 재료 과학 및 시뮬레이션 문제를 해결하기 위한 새로운 방법을 가속화하고 가능하게 합니다. 이러한 문제 유형은 금융 모델링, 항공사 스케줄링, 선거 모델링, 양자 화학, 물리적 시뮬레이션, 자동차 설계, 예방적 의료, 물류 등과 같은 다양한 분야에서 광범위한 애플리케이션에 적용할 수 있습니다.

당사의 시스템은 양자 역학적 효과(중첩, 얽힘, 터널링 등)를 이용하여 최적 또는 거의 최적 솔루션에 해당하는 전역 최소치를 찾음으로써 수학 함수(정점 및 골짜기 형태와 유사)로 표현된 문제를 해결하기 위해 양자 어닐링을 사용합니다. 디바이스의 크기는 약 10' x 7' x 10'입니다. 물리적 엔클로저에는 한 개의 양자 처리 장치(QPU)를 지원하기 위해 정교한 초저온 냉각, 차폐 및 I/O 시스템이 내장되어 있습니다. 양자 효과가 연산에서 역할을 하려면 QPU가 분리된 환경에 있어야 합니다. 냉각 장치와 차폐층은 외부 자기장, 진동 및 RF 신호로부터 격리되었으며 절대 영도에 가까운 내부 고진공 환경을 조성합니다.

QPU 자체는 상호 연결된 초전도 플럭스 큐비트의 네트워크로 구축됩니다. 각 큐비트는 조셉슨 접합으로 분리된 작은 금속 루프로 구현됩니다. 당사 시스템의 낮은 온도에서 이러한 루프는 초전도체가 되어 양자 역학적 효과를 보여줍니다. 큐비트가 양자 상태에 있을 때 전류는 동시에 양방향으로 흐릅니다. 이는 큐비트가 중첩 상태, 즉 동시에 0 상태와 1 상태에 있다는 의미입니다. 문제 해결 프로세스가 끝날 때쯤, 이 중첩은 0이나 1이라는 두 고전적 상태 중 하나로 바뀝니다.

단일 큐비트에서 다중 큐비트 QPU로 전환하려면 큐비트를 상호 연결하여 정보를 교환해야 합니다. 큐비트는 초전도 루프이기도 한 커플러를 통해 연결됩니다. 자기장을 관리하기 위한 제어 회로와 더불어 큐비트와 커플러를 상호 연결하면 프로그래밍 가능한 양자 디바이스의 통합 패브릭이 생성됩니다. QPU가 문제에 대한 해결책에 도달하면 모든 큐비트는 최종 상태로 고정되고 보유하고 있는 값은 사용자에게 반환됩니다.

Amazon Braket 고객은 D-Wave 양자 컴퓨터에 실시간으로 액세스할 수 있습니다. 당사 시스템 사용을 최적화할 수 있도록 AWS 고객은 애플리케이션 개체를 D-Wave 양자 컴퓨터의 솔루션에 적합한 형태로 변환하여 문제 매핑을 지원한 후 원래 애플리케이션에 적합한 솔루션을 반환하는 Python 도구 세트인 D-Wave Ocean SDK를 사용하게 됩니다. 또한 이 SDK에는 Uniform Sampler API, 문제를 양자 컴퓨터에서 사용할 수 있는 형태로 표현하는 추상화 계층, 사용자가 여러 문제 해결 방법("샘플러"라고 함) 중 어떤 방법을 사용할 것인지 지시할 수 있는 샘플러 선택 도구가 포함되어 있습니다. 그리고 그 방법으로는 양자 어닐링 실행, 고전적 알고리즘을 실행하는 고전적 컴퓨터 하드웨어 또는 잠재적으로 맞춤형으로 설계된 샘플러 등이 포함됩니다.

사용자는 여러 가지 방법으로 시스템에 문제를 제출할 수 있지만, 궁극적으로 문제는 큐비트의 가중치와 커플러의 강도에 해당하는 값의 집합으로 표시됩니다. 문제 해결책은 확인된 최적의 큐비트 구성, 즉 에너지계의 최저점에 해당합니다. 이러한 값은 사용자에게 반환됩니다. 양자 컴퓨터는 결정론적이 아니라 확률론적 특성을 가지고 있기 때문에, 문제에 대한 최적의 해결책은 아니더라도 일련의 우수한 해결책을 나타내는 여러 값을 반환할 수 있습니다.

IonQ

IonQ는 범용 양자 컴퓨팅 분야의 리더입니다. 우리는 양자 컴퓨터를 구현하는 가장 좋은 방법은 자연에서 시작하는 것이라고 믿습니다. IonQ는 개별 원자를 양자 처리 장치의 핵심으로 사용합니다. 칩에서 반도체 정의 전극을 사용하여 이를 공간에 띄웁니다. 그런 다음 초기 준비, 게이트 작업 및 최종 판독에 레이저를 사용합니다. 이를 모두 구현하려면 반직관적 물리학, 정밀 광학 및 기계 엔지니어링, 다양한 구성 요소에 대한 세분화된 펌웨어 제어가 필요합니다. IonQ는 2015년에 김정상 교수와 Christopher Monroe가 설립했습니다.

IonQ Logo

양자 컴퓨터에서 연산 작업을 실행하려면 각 양자 게이트 작업을 구현하는 데 사용되는 레이저 펄스 시퀀스를 프로그래밍해야 합니다. 당사의 시스템 아키텍처는 시스템에서 임의의 양자 비트 집합(큐비트) 간에 게이트 작업을 가능하게 하므로 광범위한 양자 알고리즘을 효율적으로 실행할 수 있는 다목적 컴퓨팅 머신입니다. 당사의 시스템은 화학 및 재료 시뮬레이션, 물류 및 최적화, 제약, 보안 애플리케이션의 문제를 해결하도록 설계된 광범위한 양자 알고리즘을 실행할 수 있습니다.

양자 컴퓨팅에 대한 IonQ의 이온 트랩 접근 방식은 이온화된 이테르븀 원자에서 시작됩니다. 이러한 동일한 원자의 두 가지 내부 상태는 양자 컴퓨터의 가장 중요한 부분인 큐비트를 구성합니다. 각 이테르븀 원자는 우주의 다른 모든 이테르븀 원자와 완벽하게 동일합니다. 먼저 원자로부터 전자를 떼어내어 원자를 이온으로 만들고, 선형 이온 트랩이라는 특수 칩을 사용하여 이를 3D 공간에 정확하게 고정시킵니다. 이 트랩은 환경적 잡음 및 결잃음을 최소화하기 위해 환경으로부터 격리하여 이온을 제자리에 고정시키는 전자기력을 생산하도록 정밀하게 설계되고, 제작되어 제어되는 100개의 작은 전극으로 이루어집니다.

일단 첫 번째 이온이 자리를 잡으면, 원하는 수의 이온을 선형 체인에 로드할 수 있습니다. 이러한 온디맨드 재구성 기능을 통해 새로운 칩을 제작하거나 기본 하드웨어를 변경할 필요 없이 이론적으로 1-큐비트 시스템부터 100 이상 큐비트 시스템(현재는 사용할 수 없음)에 이르기까지 원하는 대로 만들 수 있습니다. 일단 원자들이 갇히게 되면, 이를 원하는 양자 상태로 준비할 수 있고, 이러한 원자들은 큐비트가 환경으로부터 적절히 격리되어 있는 한 무한히 그 상태를 유지합니다. 이온을 사용하여 양자 연산을 수행하려면, 먼저 작업을 위한 준비를 시켜야 합니다. 여기에는 두 가지 단계가 포함됩니다. 바로, 연산 잡음을 줄이기 위한 냉각 단계와 각 이온을 잘 정의된 "제로" 상태로 초기화하여 사용할 준비를 하는 상태 준비 단계입니다.

개별 이온에 각각 이미지화된 개별 레이저 빔들과 하나의 "글로벌" 빔의 배열로 게이트 작업을 수행합니다. 두 빔 사이의 간섭으로 인해 큐비트를 다른 상태로 바꿀 수 있는 제어 신호가 생성됩니다. 이온의 상태를 조작하여 단일 큐비트 및 2-큐비트 게이트를 만들 수 있습니다. 현재까지 79-이온 체인에서 단일 큐비트 게이트를 실행하고, 여러 개의 2큐비트 게이트로 구성된 복잡한 알고리즘은 최대 11개의 이온 체인에서 실행하고 있습니다. 연산을 수행한 후에는 모든 이온에 공명 레이저를 비추어 양자 정보를 두 상태 중 하나로 바꾸는 방식으로 결과를 판독합니다. 이 빛을 수집하고 측정하면 모든 이온의 변경된 상태를 동시에 읽을 수 있습니다. 이 상태 중 하나는 레이저 광선에 반응하여 발광하지만 다른 하나는 그렇지 않습니다. 결과는 이진 문자열로 해석합니다. 원자 이온 큐비트를 환경으로부터 격리하기 위해, 약 10~11 Torr의 압력으로 펌핑된 초고진공 챔버 안에 트랩을 설치했습니다. 이 압력에서는 우주 공간보다 주어진 부피 내 분자 수가 더 적습니다.

Rigetti

Rigetti Computing은 초전도 큐비트 기술을 활용하는 통합 양자 컴퓨팅 시스템을 구축 및 배포합니다. 이러한 시스템을 통해 조직은 강력한 양자 프로세서를 사용하여 기존 연산 워크플로를 보강할 수 있습니다. Rigetti는 시뮬레이션, 최적화 및 기계 학습 애플리케이션에 초점을 맞춘 맞춤형 소프트웨어와 풀 스택 솔루션을 통해 금융, 보험, 제약, 방위 및 에너지 분야의 고객에게 서비스를 제공합니다. 이 회사는 미국 캘리포니아에 본사를 두고 있으며, 워싱턴 DC, 호주 및 영국에 지사가 있습니다.

Rigetti_Computing

Rigetti 양자 프로세서는 초전도 큐비트를 기반으로 한 범용 게이트 모델 머신입니다. 당사의 Aspen 시리즈 칩은 시스템 아키텍처 내에서 고정 주파수와 튜닝 가능한 초전도 큐비트를 교대로 배치하는 타일형 격자 기반으로, 다수의 큐비트로 확장 가능합니다. 또한 이러한 칩의 파라메트릭 얽힘 논리 게이트는 빠른 게이트 시간과 프로그램 실행 속도를 제공합니다. Aspen 시리즈 양자 칩은 Rigetti의 전용 디바이스 파운더리에서 초전도 회로를 위한 최첨단 제조 기술을 사용하여 제작되었습니다. 따라서 정밀도, 규모 및 속도의 강력한 조합이 이루어집니다.
Rigetti 프로세서는 세 개의 기본 하위 시스템으로 구성됩니다. 첫째, 사용자 프로그램은 효율적인 컴파일러 도구 체인을 통해 머신 네이티브 명령으로 최적화됩니다. 그런 다음, 지연 시간이 짧은 하드웨어 컨트롤러가 이러한 명령을 보정된 전기 신호로 시퀀싱합니다. 마지막으로, 결이 맞는 초전도 회로 소자로 만들어진 큐비트는 이러한 전기 신호를 디지털 양자 게이트 및 명령으로 논리적으로 변환합니다.

Rigetti quilc 컴파일러는 추상적인 양자 알고리즘을 이 물리적 연결 네트워크에 매핑합니다. Rigetti quilc 컴파일러는 추상적인 양자 알고리즘을 이 물리적 연결 네트워크에 매핑합니다. 얽힘 없이 큐비트 간에 양자 상태를 교환하는 "SWAP" 게이트는 Aspen 프로세서 전체에 걸쳐 양자 정보를 전달하여 인접하지 않은 큐비트를 연결할 수 있습니다. 이러한 작업은 비용이 많이 들 수 있기 때문에 quilc 컴파일러는 "레이아웃 문제"에 고도로 최적화되어 있습니다. 특히, Aspen 그래프의 프로그램에 대해 컴파일된 깊이는 종종 전체 직렬 프로그램 구성보다 낮거나 거의 동일한 것으로 추정됩니다.

Rigetti의 2-큐비트 얽힘 게이트 메커니즘(일반적으로 제어된 단계 게이트 또는 "CZ" 게이트)은 전기 주파수 변조(FM) 제어에 의해 작동됩니다. 이 클래스의 "파라메트릭 게이트"의 경우 컨트롤러는 1-큐비트의 무선 주파수(GHz) 작동 지점을 관리하는 전기 바이어스를 통해 CZ 게이트 명령을 실행하여("라디오 다이얼"을 생각하면 됨) 정확히 정의된 기간 동안 가장 가까운 주변 큐비트를 통해 이 FM 스펙트럼을 공명으로 반전시킵니다. Aspen 그래프에서 이 방식을 사용하려면 큐비트의 절반 이상이 FM을 튜닝할 수 있어야 합니다. 결잃음이 알고리즘에 미치는 영향을 추정하려면 큐비트의 수명(~25-50μs)을 게이트 지속 시간(~50-200ns)에 알고리즘의 회로 깊이를 곱한 값과 비교해야 합니다. 32-큐비트 폼 팩터를 기반으로 한 최신 Rigetti 프로세서(Aspen-7)의 이 시간이 표 1에 나와 있습니다.

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그림 1 - Base-8로 큐비트 레이블이 지정되어 있고 큐비트가 서로 직접 연결되어 있는Rigetti Aspen 시리즈 칩의 확장 가능한 회로 토폴로지를 보여주는 그래프.

Rigetti Aspen-7

평균 소요 시간(μs)

T1 수명

41

T2 수명

35

단일 큐비트 게이트 작업

0.080

2-큐비트 게이트 작업

0.34

판독 작업

1.3

레지스터 재설정 작업

10

표 1 – Aspen-7 프로세서의 수명 및 작업 속도(2019년 10월 24일 기준).

Rigetti Aspen-7

평균 충실도(작업당)

단일 큐비트 게이트

98.7%

2-큐비트 게이트

95.2%

SPAM

96.4%

기하 평균 작업

97.2%

표 2 – Aspen-7 프로세서의 작업당 충실도(2019년 10월 24일에 수집된 데이터).

Aspen-7의 단일 큐비트 게이트, 2-큐비트 게이트, 상태 준비 및 측정(SPAM) 명령에 대한 일반적인 평균 충실도는 표 2에 나와 있습니다. 범용 양자 컴퓨터에서는 더 복잡한 벤치마크를 실행할 수 있지만, 칩 수준의 성능에 대한 1차 근사치는 각 명령 유형의 기하 평균입니다. 즉, 칩의 중간값 단일 큐비트, 2-큐비트 및 레지스터 준비/판독 작업에서 Aspen-7 칩은 평균 97.2%의 충실도를 갖습니다. 집적 회로 내에서, 실리콘 관통 전극(TSV)과 플립 칩 본딩 초전도 차폐는 칩의 스푸리어스 제어 신호 누화를 최소화합니다.

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