Fornecedores de hardware do Amazon Braket

O computador quântico D-Wave utiliza a dinâmica quântica para acelerar e habilitar novos métodos para resolver problemas complexos de otimização discreta, aderência a restrições, inteligência artificial, machine learning, ciência dos materiais e simulação. Estes tipos de problemas são aplicáveis a uma grande variedade de utilizações em áreas tão diversas como modelagem financeira, programação de linhas aéreas, modelagem de eleições, química quântica, simulação física, design automotivo, saúde preventiva, logística e muito mais.

Nosso sistema usa o recozimento quântico para resolver problemas representados como funções matemáticas (de forma semelhante a uma paisagem com picos e vales) aproveitando efeitos mecânicos quânticos, incluindo superposição, emaranhamento e tunelamento para encontrar seus mínimos globais, correspondentes a soluções ideais ou quase ideais. As dimensões do nosso dispositivo são 10 x 7 x 10 pés. O gabinete físico abriga sistemas criogênicos de refrigeração sofisticados, blindagem e E/S para oferecer uma Quantum Processing Unit (QPU – Unidade de processamento quântico). Para que os efeitos quânticos desempenhem sua função no cálculo, a QPU exige um ambiente isolado. O refrigerador e as camadas de blindagem criam um ambiente interno de alto vácuo com uma temperatura próxima ao zero absoluto, que é isolada de campos magnéticos externos, vibrações e sinais de radiofrequência.

A QPU em si é criada de uma rede de qubits de fluxo supercondutor interligados. Cada qubit consiste em um pequeno laço de metal interrompido por uma junção de Josephson. Nas baixas temperaturas do nosso sistema, esses laços tornam-se supercondutores e apresentam efeitos mecânicos quânticos. Quando um qubit está em um estado quântico, a corrente flui simultaneamente em ambas as direções, o que significa que o qubit está em sobreposição, ou seja, nos estados 0 e 1 ao mesmo tempo. Ao final do processo de resolução de problemas, essa sobreposição se reduz a um dos dois estados clássicos, 0 ou 1.

Para passar de uma QPU com um único qubit para outra com vários qubits, é preciso que os qubits estejam interconectados para trocar informações. Os qubits são conectados por acopladores, que também são laços supercondutores. A interconexão de qubits e acopladores, juntamente com os circuitos de controle para gerenciar os campos magnéticos, cria uma malha integrada de dispositivos quânticos programáveis. Quando a QPU alcança a solução de um problema, todos os qubits se ajustam a seus estados finais e seus valores são devolvidos ao usuário.

Os clientes do Amazon Braket terão acesso ao vivo e em tempo real aos computadores quânticos da D-Wave. Para otimizar o uso do nosso sistema, os clientes da AWS usarão o D-Wave Ocean SDK, um conjunto de ferramentas Python que apoiam o mapeamento de problemas mediante a tradução dos objetivos do aplicativo para uma forma adequada para solução pelo computador quântico D-Wave e, em seguida, devolvem soluções adequadas para o aplicativo original. O SDK também inclui uma API Uniform Sampler, uma camada de abstração que representa o problema de uma forma que pode ser usada pelo computador quântico, e ferramentas de seleção de amostras que permitem que o usuário indique qual dos vários métodos (denominados “samplers”) serão usados para resolver os problemas. Os métodos incluem a execução de recozimento quântico, hardware de computador clássico executando algoritmos clássicos ou possivelmente samplers projetados especificamente.

Embora os usuários possam apresentar problemas para o sistema de várias maneiras diferentes, essencialmente, um problema é representado como um conjunto de valores que correspondem aos pesos dos qubits e à força dos acopladores. As soluções de problemas correspondem à configuração ideal de qubits encontrada, ou seja, os pontos mais baixos no cenário de energia. Esses valores são retornados para o usuário. Como os computadores quânticos são probabilísticos e não determinísticos, vários valores podem ser retornados, representando um conjunto de soluções boas (ou até mesmo ideais) para um problema.

A execução de tarefas computacionais no computador quântico é realizada mediante a programação da sequência de pulsos de laser usados para implementar cada operação de porta quântica. Nossa arquitetura de sistema permite operações de portas entre um conjunto arbitrário de bits quânticos (ou qubits) no sistema, fazendo dele uma máquina de computação altamente versátil que pode executar com eficiência uma grande variedade de algoritmos quânticos. Nosso sistema consegue executar diversos algoritmos quânticos, projetados para resolver problemas de simulação química e de materiais, logística e otimização, e aplicações farmacêuticas e de segurança.

A abordagem da computação quântica da IonQ, baseada em íons aprisionados, começa com átomos ionizados de itérbio. Dois estados internos destes átomos idênticos constituem as qubits, a parte mais importante de qualquer computador quântico. Cada átomo de itérbio é perfeitamente idêntico a todos os outros átomos de itérbio no universo. Primeiro, tiramos um elétron do átomo para transformar nosso átomo em um íon, e usamos um chip especializado, denominado armadilha de íons linear, para mantê-lo no espaço 3D com precisão. A armadilha contém cerca de 100 minúsculos eletrodos projetados, fabricados e controlados com precisão para gerar forças eletromagnéticas que mantêm os íons no lugar, isolados do ambiente para minimizar ruído ambiental e decoerência.

Depois que o primeiro íon assume o seu lugar, podemos carregar um número qualquer de íons em uma cadeia linear. Teoricamente, essa capacidade de reconfiguração sob demanda permite criar sistemas de um qubit até mais de 100 qubits (não disponível no momento) sem necessidade de fabricar um novo chip ou alterar o hardware subjacente. Depois que os átomos são aprisionados, podemos prepará-los em qualquer estado quântico. Eles permanecerão nesse estado indefinidamente, desde que os qubits estejam isolados do ambiente de forma adequada. Antes de podermos usar os íons para realizar cálculos quânticos, temos de prepará-los para a tarefa. Isso envolve duas etapas: refrigeração, para reduzir o ruído computacional, e preparação do estado, que inicializa cada íon em um estado “zero” bem definido, pronto para uso.

Executamos operações de porta com uma matriz de feixes laser individuais, cada um projetado em um íon individual, mais um feixe “global”. A interferência entre os dois feixes produz um sinal de controle que pode jogar os qubits para um estado diferente. Podemos manipular o estados dos íons para criar portas de um e dois qubits. Até hoje, executamos portas de um qubit em uma cadeia de 79 íons e algoritmos complexos, compostos por várias portas de dois qubits, em cadeias de até 11 íons. Após a execução da computação, o resultado é lido mediante a projeção de um laser ressonante em todos os íons para reduzir a informação quântica para um entre dois estados. A coleta e a medição dessa luz permitem ler simultaneamente o estado de redução de cada íon: um destes estados brilha quando exposto à luz laser, o outro não. Interpretamos o resultado como uma string binária. Para isolar os qubits de íons atômicos do ambiente, colocamos a armadilha dentro de uma câmara de vácuo ultra-alto e reduzimos a pressão para cerca de 10 ^{a 11} Torr. Nessa pressão, há menos moléculas em um determinado volume que no espaço sideral.

Os processadores quânticos Rigetti são máquinas universais do modelo de portas e baseadas em qubits supercondutores. Os nossos chips da série Aspen incluem treliças agrupáveis de frequência fixa alternada e qubits supercondutores sintonizáveis em uma arquitetura de sistema escalável para grandes quantidades de qubits. As portas lógicas de emaranhamento paramétrico nesses chips também oferecem rapidez de tempos de porta e taxas de execução de programas. Os chips quânticos da série Aspen são fabricados na fundição dedicada de dispositivos da Rigetti usando técnicas de fabricação de última geração para circuitos supercondutores. O resultado é uma combinação poderosa de precisão, escala e velocidade.
Os processadores da Rigetti consistem em três subsistemas principais. Primeiro, os programas do usuário são otimizados para instruções de máquina nativas por meio de uma cadeia eficiente de ferramentas de compilador. Depois, um controlador de hardware de baixa latência sequencia essas instruções como sinais elétricos calibrados. Por fim, os qubits (compostos por elementos de circuito supercondutores coerentes) transduzem logicamente esses sinais elétricos como portas quânticas digitais e instruções de medição.

O gráfico de conectividade do chip Aspen é octogonal com 3 dobras (2 dobras para bordas) conectivamente. O compilador quilc da Rigetti mapeia um algoritmo quântico abstrato para esta rede de conexões físicas. Portas “SWAP”, que trocam estados quânticos entre qubits sem emaranhá-los, podem transportar informações quânticas através do processador Aspen para vincular qubits próximos não adjacentes. Como essas operações podem ter alto custo, o compilador quilc é altamente otimizado para o “problema de layout”. Especificamente, as profundidades de compilação para programas em gráficos do Aspen são muitas vezes estimadas como sendo menores ou aproximadamente iguais a uma construção de programa em série do tipo todos para todos.