D-Wave

D-Wave является лидером в разработке и поставках систем, программного обеспечения и сервисов для квантовых вычислений, а также первым в мире коммерческим производителем квантовых компьютеров. Наша миссия заключается в раскрытии потенциальной мощи квантовых вычислений и предоставлении пользователям полезные возможности через практически применимые приложения. Наши системы используются самыми передовыми организациями мире, начиная от глобальных корпораций Lockheed Martin, DENSO и Volkswagen и заканчивая национальными исследовательскими центрами NASA Ames, Los Alamos National Lab, Oak Ridge National Lab и Forschungszentrum Jülich.

d-wave-systems_logo_201804131305387

В квантовых компьютерах D-Wave квантовая динамика применяется для ускорения существующих и создания новых методов вычислений по таким направлениям, как решение сложных дискретных оптимизаций, соблюдение ограничений, искусственный интеллект, машинное обучение, материаловедение и моделирование. Подобные типы проблем имеют широкий диапазон практических применений в таких сферах, как финансовое моделирование, расписание авиарейсов, моделирование выборов, квантовая химия, физические симуляции, конструирование автомобилей, превентивное здравоохранение, логистика и многие другие.

В наших системах квантовый отжиг используется для решений проблем, представленных в виде математических функций (визуально напоминающих сложный ландшафт с пиками и впадинами), с применением механических квантовых эффектов, таких как суперпозиция, запутанность и туннелирование, для поиска глобальных минимумов, которые соответствуют оптимальным или близком к оптимальным решениям. Размер нашего устройства составляет примерно 10×7×10 футов. В физическом корпусе размещаются сложные системы криогенного охлаждения, экранирования и ввода вывода, необходимые для одного квантового вычислительного блока (QPU). Чтобы квантовые эффекты правильно учитывались в вычислениях, QPU должен находиться в изолированной среде. Система охлаждения и несколько слоев экранирования поддерживают внутреннюю среду с высоким разрежением и температурой, близкой к абсолютному нулю, изолированную от внешних магнитных полей, вибраций и радиочастотных сигналов.

Само устройство QPU создается из сети взаимосвязанных потоковых кубитов, работа которых основана на эффекте сверхпроводимости. Каждый кубит состоит из маленького металлического колечка с джозефсоновским контактом в разрыве. При сверхнизких температурах, которые создаются в нашей системе, эти колечки становятся сверхпроводящими и проявляют механические квантовые эффекты. Когда кубит находится в квантовом состоянии, ток в нем течет в обоих направлениях. Это соответствует состоянию суперпозиции сигналов 0 и 1, существующих одновременно. В конце процесса решения задачи состояние суперпозиции «схлопывается» в одно из двух классических состояний — 0 или 1.

Переход от одного кубита к системе QPU с несколькими кубитами требует соединения этих кубитов для обмена информацией. Соединение кубитов выполняется через другие сверхпроводящие контуры, именуемые соединителями. Матрица из кубитов и соединителей в сочетании с контурами управления магнитными полями составляет интегрированную основу программируемых квантовых устройств. Когда QPU находит решение задачи, все кубиты фиксируются в итоговом состоянии и их значения возвращаются пользователю.

Пользователи Amazon Braket получают доступ к квантовым компьютерам D-Wave в режиме реального времени. Чтобы оптимизировать использование наших систем, клиенты AWS могут применять D-Wave Ocean SDK, который содержит набор инструментов для Python с поддержкой сопоставления задач, который позволяет преобразовать вычислительные цели в понятную для квантового компьютера D-Wave форму и вернуть результат решения в приемлемом для исходного приложения виде. Также этот SDK содержит Uniform Sampler API, которые предоставляет уровень абстракции для отображения задач в понятной для квантового компьютера форме, и набор инструментов для отбора проб, который позволяет пользователю выбрать метод («сэмплер») для решения этих задач. К этим методам относятся квантовый отжиг, классические алгоритмы на классическом вычислительном оборудовании и собственные пользовательские сэмплеры.

Пользователи могут передавать в систему задачи несколькими разными способами, но в конечном счете она всегда представляется в виде набора значений, обозначающих весовые коэффициенты кубитов и силу соединителей. Решение задачи находится по оптимальной конфигурации кубитов, то есть по минимальным точкам на энергетическом ландшафте. Эти значения возвращаются пользователю. Поскольку квантовые компьютеры выполняют вероятностные, а не детерминированные вычисления, они могут возвращать разные наборы результатов с одним из хороших решений задачи, но не всегда с оптимальным.

IonQ

IonQ является лидером в сфере универсальных квантовых вычислений. Мы уверены, что для создания квантового компьютера лучше всего обратиться к самой природе. IonQ использует в своих вычислительных блоках механизм, основанный на отдельных атомах. Они левитируют в пространстве, поддерживаемые полупроводниковой системой электродов на микросхеме. Для исходной подготовки, вентильных операций и получения результатов мы используем лазеры. Чтобы собрать этот механизм воедино, применяются нетривиальные физические решения, прецизионные оптические и механические системы и сверхточный программный контроль над несколькими разными компонентами одновременно. Компанию IonQ основали в 2015 году Юнсан Ким и Кристофер Монро.

IonQ Logo

Выполнение вычислительных задач на нашем квантовом компьютере выполняется путем программирования последовательности лазерных импульсов, которые реализуют каждую из операций квантовых вентилей. Архитектура нашей системы позволяет включать в операции вентилей произвольное число квантовых битов (кубитов) этой системы, что позволяет создать крайне гибкую вычислительную среду для эффективного выполнения широкого набора квантовых алгоритмов. Наша система способна выполнять много разных квантовых алгоритмов, разработанных для решения задач в сферах моделирования химических процессов, материаловедения, логистики и оптимизации, фармацевтики и систем безопасности.

IonQ использует для квантовых вычислений технологию захваченных ионов, которая основана на ионах иттербия. Внутренние состояния двух идентичных атомов составляют один кубит, который является ключевым элементом любого квантового компьютера. Каждый атом иттербия идеально идентичен любому другому атому иттербия во вселенной. Для начала мы лишаем этот атом одного электрона, получая таким образом ион иттербия, а затем на специальной микросхеме, которую мы называем линейной ионной ловушкой, размещаем этот ион в строго определенном положении в трехмерном пространстве. Эта ловушка содержит около 100 микроскопических электродов, которые разрабатываются, производятся и управляются с высочайшей точностью, чтобы создать электромагнитное поле для фиксации ионов в пространстве в изолированной от внешнего мира среде, что позволяет свести к минимуму влияние внешнего шума и проблему некогерентности.

Поместив на место первый ион, мы можем создать за ним линейную цепочку из любого числа дополнительных ионов. Такая свобода конфигурации в теории позволяет нам создать систему любой сложности, содержащую от одного до более чем 100 кубитов (пока этот уровень недостижим) без затрат на производство новых микросхем или базового оборудования. Поместив атомы в ловушку, мы переводим их в любое квантовое состояние, которое они смогут сохранять неограниченно долго благодаря хорошей изоляции кубитов от внешней среды. Прежде чем применять эти ионы для квантовых вычислений, мы должны подготовить их к этой задаче. Этот процесс включает два шага: охлаждение для снижения вычислительного шума и подготовка состояния, которая заключается в приведении каждого иона в четко определенное «нулевое» состояние

Мы выполняем операции вентилей по массиву отдельных лазерных лучей, каждый из которых нацелен на отдельный ион, с дополнительным «глобальным» лучом. Интерференция между двумя лучами создает сигнал управления, который может переключить кубиты в другое состояние. Мы можем манипулировать состоянием ионов, чтобы создавать вентили с одним или двумя кубитами. На данный момент мы можем выполнять операции вентилей с одним кубитом на цепочке из 79 ионов, а также сложные алгоритмы с несколькими двух-кубитными вентилями на цепочках длиной до 11 ионов. После выполнения вычислений выполняется считывание результата путем подсвечивания всех ионов резонансным лазером, что приводит к схлопыванию квантового состояния в одно из двух состояний. Сбор и измерение светового сигнала позволяет считать схлопнутые состояния всех ионов одновременно, так как в одном состоянии они светятся под лазерным лучом, а в другом — нет. Полученный результат преобразуется в строку двоичных символов. Для изоляции кубитов на ионах от окружающей среды мы помещаем ловушку в камеру со сверхвысоким разрежением (давление порядка 10-11 Торр). При таком давлении в этой камере меньше молекул, чем в аналогичном объеме космического пространства.

Rigetti

Rigetti Computing создает и развертывает интегрированные системы квантовых вычислений, используя технологию сверхпроводящих кубитов. Такие системы позволяют организациям дополнять существующие рабочие процессы вычислений мощными квантовыми процессорами. Rigetti обслуживает клиентов в отраслях финансов, страхования, фармакологии, обороны и энергетики, предоставляя специализированные программы и полнофункциональные решения для приложений моделирования, оптимизации и машинного обучения. Эта компания размещается в штате Калифорния (США) и имеет офисы в Вашингтоне (округ Колумбия), Австралии и Великобритании.

Rigetti_Computing

Квантовые процессоры Rigetti представляют собой универсальные вычислительные машины вентильного типа, в основе конструкции которых лежат сверхпроводящие кубиты. Наши микросхемы серии Aspen содержат мозаичные матрицы, в которых сверхпроводящие кубиты с фиксированной частотой чередуются с настраиваемыми кубитами, а архитектура системы масштабируется до большого числа кубитов. Параметрические вентили с логикой запутывания на этих микропроцессорах обеспечивают быстрое переключение и выполнение программ. Квантовые микропроцессоры серии Aspen производятся на специализированной фабрике Rigetti с применением сверхсовременных технологий изготовления сверхпроводящих контуров. Благодаря этому достигается великолепное сочетание точности, масштабируемости и скорости.
Процессоры Rigetti состоят из трех основных подсистем. Во-первых, пользовательские программы оптимизированы для работы в машинном коде через эффективную цепочку средств компиляции. Во-вторых, аппаратный контроллер с низким уровнем задержки выстраивает эти инструкции в последовательность калиброванных электрических сигналов. И наконец, кубиты на основе когерентных сверхпроводящих элементов контура логически выстраивают эти электрические сигналы в набор цифровых квантовых вентилей и инструкций по измерению.

Микропроцессоры Aspen подключаются по восьмигранной схеме с 3-мя точками (2-мя точками на гранях) подключения для каждого кубита. Компилятор quilc компании Rigetti сопоставляет абстрактный квантовый алгоритм с этой сетью физических соединений. Вентили «SWAP», которые изменяют квантовые состояния кубитов без запутывания, могут переносить квантовую информацию в пределах процессора Aspen для связывания не ближайших соседних кубитов. Поскольку эти операции могут быть довольно дорогими, компилятор quilc оптимизирует «проблему макета» с высоким приоритетом. В частности, глубина скомпилированных программ на графах Aspen часто оценивается как более низкая или примерно равная глубине при последовательном конструировании программы в режиме «все ко всем».

Механизм вентилей Rigetti для запутывания двух кубитов (обычно это вентиль с контролируемой фазой или вентиль CZ) активируется по электрическому контуру с частотной модуляцией (FM). Для класса «параметрических вентилей» контроллер выполняет инструкцию вентиля CZ через напряжение смещения, которое управляет радиочастотными (в диапазоне ГГц) операционными точками одного кубита (примерно так же, как настройка радиоприемника), настраивая по спектру частотной модуляции резонанс с ближайшим соседним кубитом на строго определенные период. На графе Aspen эта схема работы требует, чтобы не менее половины кубитов поддерживали настройку по частотной модуляции. Чтобы оценить влияние некогерентности на алгоритм, время существования кубитов (~25-50 мкс) сравнивается с длительностью работы вентиля (~50-200 нс), умноженной на глубину контура в алгоритме. В таблице 1 приводятся времена для процессора Rigetti (Aspen-7), основанного на форм-факторе 32 кубитов.

rsz_rigetti_figure64ba7215f8ce1086540e2b602ccd9b8d86b1b633
Рисунок 1. Масштабируемая топология контура для микропроцессоров Rigetti серии Aspen, где кубиты промаркированы числами по основанию 8, а прямые соединения между кубитами отображаются в виде графа.

Rigetti Aspen-7

Ср. продолжительность (мкс)

Срок жизни T1

41

Срок жизни T2

35

Операция вентиля с одним кубитом

0,080

Операция вентиля с двумя кубитами

0,34

Операция считывания

1,3

Операция сброса регистра

10

Таблица 1. Сроки жизни и скорость операций для процессора Aspen-7, по данным от 24.10.2019.

Rigetti Aspen-7

Ср. Точность (на одну операцию)

Вентили с одним кубитом

98,7 %

Вентили с двумя кубитами

95,2 %

SPAM

96,4 %

Операция геометрического среднего

97,2 %

Таблица 2. Точность по операциям для процессора Aspen-7, по данным от 24.10.2019.

В таблице 2 приводятся средние значения точности для вентилей с одним кубитом, вентилей с двумя кубитами и подготовки состояния, а также инструкции по измерениям (SPAM) для процессора Aspen-7. Существуют и более сложные оценки производительности, которые можно выполнять на универсальных квантовых компьютерах. Но в первом приближении эффективность на уровне микропроцессора можно получить, вычислив среднее геометрическое по каждому типу инструкций, т. е. среднее значение по операциям с одним кубитом, с двумя кубитами и подготовки регистра (чтения) для определенного микропроцессора. По этой методике процессор Aspen-7 дает точность 97,2 %. В интегрированном контуре межслойные перемычки и сверхпроводящий экран, создаваемый методом перевернутого кристалла, позволяют минимизировать паразитные перекрестные помехи для управляющих сигналов на микросхеме.

Product-Page_Standard-Icons_01_Product-Features_SqInk
Есть вопросы?

Изучите вопросы и ответы по Amazon Braket

Подробнее 
Product-Page_Standard-Icons_02_Sign-Up_SqInk
Зарегистрировать бесплатный аккаунт

Получите мгновенный доступ к уровню бесплатного пользования AWS. 

Регистрация 
Product-Page_Standard-Icons_03_Start-Building_SqInk
Регистрация для доступа в ознакомительном режиме

Чтобы начать работу, зарегистрируйтесь для доступа в ознакомительном режиме

Регистрация 
Содержание страницы
D-Wave IonQ Rigetti