D-Wave

D-Wave 是開發與交付量子運算系統、軟體及服務的領導者,也是世界率先供應量子電腦的廠商。我們的使命是透過務實的應用提供客戶價值,讓量子運算發揮最大效用。全球最先進的組織從 Lockheed Martin、DENSO 和 Volkswagen 到美國國家航空航天局埃姆斯研究中心 (NASA Ames)、洛斯阿拉莫斯國家實驗室 (Los Alamos National Lab)、橡樹嶺國家實驗室 (Oak Ridge National Lab) 及德國尤利希研究中心 (Forschungszentrum Jülich) 等國家級研究中心,都採用我們的系統。

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D-Wave 量子電腦運用量子動力學來加快及實現解決複雜離散優化、人工智慧、機器學習、材料科學及模擬問題等的新方法。這些問題類型都適用於廣泛範圍的應用領域,應用的多樣化就跟金融建模、飛航班表、選舉建模、量子化學、物理模擬、汽車設計、預防醫療、物流等一樣。

我們的系統使用量子退火技術,透過運用量子力學效應 (包括疊加、糾纏及穿隧),尋找其全域最小值以對應至最佳或接近最佳解決方案,解決以數學函式表示的問題 (類似山峰山谷景象)。我們的裝置約佔用 10’ x 7’ x 10’ 的空間。裝置的實體外殼裡,有精密的低溫冷卻、遮蔽及 I/O 系統,用於支援一個量子處理單元 (QPU)。為了使量子效應在運算中發揮效用,QPU 需要獨立環境。致冷機和多層遮蔽創造了一個內部高真空環境,且溫度接近絕對零度,並會與外部磁場、震動及 RF 訊號隔離開來。

QPU 本身是透過互連超導磁通量量子位元的網路建立。每個量子位元由一個極小的金屬環圈所構成,並以約瑟芬接合點 (Josephson Junction) 中斷迴圈。我們的系統中,當低溫時,這些迴圈會變成超導體,並產生量子力學效應。當量子位元處於量子狀態,電流會雙向同步流動,這意味著量子位元處於疊加狀態,也就是同時處於 0 和 1 狀態。在問題解決過程結束時,此疊加會收縮為兩種傳統狀態其中之一:即 0 或 1。

從單一量子位元轉到多量子位元 QPU,需要將量子位元互連以交換資訊。量子位元透過耦合器連接,也就是超導迴圈。量子位元和耦合器的互連,加上管理磁場的控制電路,即形成一個可程式量子裝置的整合結構。當 QPU 抵達問題解決方案時,所有量子位元都會進入其最終狀態,其儲存的值會傳回使用者。

Amazon Braket 的客戶可以直接即時存取 D-Wave 量子電腦。為了優化我們的系統使用,AWS 客戶將會使用 D-Wave Ocean 軟體開發套件,這組 Python 工具透過將應用程式目標翻譯為 D-Wave 量子電腦上適合的解決方案格式來支援問題對應,然後將傳回適合原始應用程式的解決方案。該軟體開發套件也包含一個 Uniform Sampler API (這是一個抽象層,以量子電腦使用的格式來表示問題),以及一個取樣器選取工具,可讓使用者引導要使用數種方法 (稱為「取樣器」) 中的哪一種來解決問題。方法包括執行量子退火、執行傳統演算法的傳統電腦硬體,或是可能量身打造的取樣器。

儘管使用者可透過數種不同方式將問題提交到系統,但問題最終都會以一組值來表示,這些值對應於量子位元的權重及耦合器的強度。問題解決方案會對應於找到的量子位元最佳組態,也就是能量圖景中的最低點。這些值會傳回給使用者。由於量子電腦是或然型而非決定型,因此可能會傳回多個值來表示一組良好 (非最佳時) 的問題解決方案。

IonQ

IonQ 是通用量子量子運算技術的領導者。我們相信建立量子電腦的最好方式就是採用始於自然的理念:IonQ 以獨立原子做為我們量子處理單元的核心。IonQ 以獨立原子做為我們量子處理單元的核心。接著,使用雷射裝置進行初步準備、閘作業,以及最終讀數。為了整合全部,需要運用反直覺物理、精密光學元與機械工程,以及對各種元件進行精細韌體控制。IonQ 於 2015 年由 Jungsang Kim 和 Christopher Monroe 創立。

IonQ Logo

在我們的量子電腦上執行的運算任務,會透過程式編寫實作各個量子閘作業所用的雷射脈衝順序來完成。我們的系統架構可在系統中任意一組量子位元之間實現閘運作,使其成為高度多功能的運算電腦,而能高效地執行各式各樣的量子演算法。我們的系統能執行範圍廣泛的量子演算法,這些演算法旨在解決化學與材料模擬、物流及優化、製藥與安全等應用上的問題。

IonQ 的陷獲離子 (Trapped Ion) 量子運算方法,是透過游離鐿原子開始的。這些相等原子的兩種內部狀態構成量子位元,這是任何量子電腦的最重要部分。每個鐿原子與宇宙中的每一個其他鐿原子完全相同。我們先去除原子中的電子,將原子轉變成離子,然後使用一種稱為線性離子阱 (Lnear Ion Tap) 的特殊晶片,將原子準確固定在 3D 空間中。這個離子阱具備約 100 個微小電極,藉由精準設計、製造及控制這些電極,產生電磁力來將我們的離子固定入位,藉此與環境隔離開來,進而將環境噪音及去相干降至最低。

當第一個離子就定位,我們就可以將任意數樣的離子載入線性鏈中。這種隨需重新組態功能讓我們在理論上可以建立一個量子位元系統到超過 100 個量子位元系統 (目前尚未可用) 的任何系統,而不需要製造新晶片或變更基礎硬體。當原子一旦落入陷阱,我們就可以在任何量子狀態下進行準備,只要量子位元與環境適當格離開來,原子就會無限期地維持在該狀態中。在我們可以使用離子來執行量子運算前,我們必須針對這項任務進行相關準備。這需要執行兩個步驟:冷卻及狀態準備,前者用於降低運算噪音,後者則用於初始化每個離子以進入定義明確的「零」狀態,準備使用。

我們會執行閘作業,此作業包含各種個別雷射光束 (每個雷射光束會成像到個別離子),加上一個「全域」光束。兩個光束之間的干擾會產生控制訊號,可將量子位元置於不同的狀態。我們可以操控離子的狀態,來建立單量子位元和雙量子位元閘。截至目前,我們已在一條 79 個離子鏈上執行單量子位元閘,以及在最多 11 個離子的離子鏈上執行由多個雙量子位元閘組成的複雜演算法。執行運算後,會透過將共振雷射光照向所有離子,將量子資訊收縮為兩種傳統狀態其中之一,來完成讀取結果。收集及測量此光線,可讓我們同時讀取每個離子的收縮狀態 - 在這些狀態中,會發光以回應雷射光的其中一種狀態,其他狀態則不會。我們會將結果做為二進位字串來解讀。為了將原子離子量子位元與環境隔離開來,我們將離子阱放在超高真空腔體內部,並抽真空至約 10-11 托爾的壓力。在這個壓力下,指定體積下的分子會比外部空間中的少。

Rigetti

Rigetti Computing 建置及部署整合式量子運算系統,來運用超導量子位元技術。這些系統可讓組織利用強大的量子處理器,擴大現有運算工作流程。Rigetti 主要服務金融、保險、製藥、國防及能源等行業的客戶,提供聚焦於模擬、優化及機器學習應用程式的客製化軟體及全堆疊解決方案。該公司的總部位於美國加州,在美國華盛頓哥倫比亞特區、澳大利亞及英國均設有據點。

Rigetti_Computing

Rigetti 量子處理器為通用型的量子閘模型機器,並採用超導量子位元為基礎。我們的 Aspen 系列晶片在可擴展至高量子位元數量的系統架構中,具有可重複的交替固定頻率晶格,以及可調整的超導量子位元。這些晶片上的參數式糾纏邏輯閘也提供快速的閘時間及程式執行速率。Aspen 系列量子晶片在 Rigetti 的專用裝置鑄造廠中製造,並採用最先進的製造技術來生產超導電路。因此能展現精準、擴展性及速度的強大結合。
Rigetti 處理器由三個主要子系統構成。首先,會透過高效編譯器工具鏈,將使用者程式最佳化為機器原生指令。接著,低延遲硬體控制器會循序使用這些指示做為校正的電訊號。最後,從相干超導電路元素形成的量子位元,會將這些電訊號轉變為數位閘及測量指示。

Aspen 晶片的連線能力圖為八邊形,含有 3 折式 (邊緣為 2 折式) 連線能力。Rigetti quilc 編譯器會將抽象量子演算法對應至這個實體連接網路。「SWAP」閘無須透過糾纏方式,即可在量子位元之間交換量子狀態量子位元,會在 Aspen 處理器中來回傳送量子資訊,以連結非最近的鄰近量子位元。由於這些作業可能費用昂貴,所以會針對「配置問題」對 quilc 編譯器進行高度優化。 尤其是,Aspen 圖形上的程式編譯深度預估值經常低於或約等於所有點對所有點的序列程式構造。

Rigetti 的雙量子位元糾纏閘機制 (一般為受控相位閘或「CZ」閘) 會透過電頻率調變 (FM) 控制來啟動。對於此類別的「參數式閘」,控制器會透過偏壓管理一個量子位元的無線射頻 (GHz) 作業點方式 (可想成「收音機刻度盤」),執行 CZ 量子閘指示,進而在明確定義的持續時間內,將此 FM 頻譜轉變成具有最近鄰近量子位元的共振。在 Aspen 圖形上,此方案會要求至少一半的量子位元為 FM 可調整。為了預估演算法的去相干效應,量子位元的週期 (~25-50 μs) 應與乘以演算法電路深度的閘持續時間 (~50-200 ns) 進行比較。在以 32 量子位元規格為基礎的最新 Rigetti 處理器 (Aspen-7) 中,這些時間如表 1 所示。

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圖 1 - Rigetti Aspen 系列晶片的可擴展電路拓樸,量子位元會以基數為 8 標示,直接量子位元至電子位元連則以圖形顯示。

Rigetti Aspen-7

平均持續時間 (μs)

T1 週期

41

T2 週期

35

單量子位元閘作業

0.080

雙量子位元閘作業

0.34

讀數作業

1.3

暫存器重設作業

10

表 1 - Aspen-7 處理器的週期與作業速度,以 10/24/2019 擷取的資料為準。

Rigetti Aspen-7

平均保真度 (每次作業)

單量子位元閘

98.7 %

雙量子位元閘

95.2 %

SPAM

96.4 %

幾何平均作業

97.2 %

表 2 - Aspen-7 處理器的每個作業保真度,以 10/24/2019 擷取的資料為準。

一般來說,Aspen-7 的單量子位元閘、雙量子位元閘及狀態準備與測量 (SPAM) 指示的平均保真度如表 2 所示。雖然在通用量子電腦上可執行更複雜的基準,但晶片層級效能的第一順位近似值是每種指示的幾何平均值,亦即會超過中間的單量子位元、雙量子位元及晶片的暫存器準備/讀數作業:Aspen-7 晶片的保真度平均值為 97.2%。在積體電路內,矽穿孔和倒裝晶片接合超導遮蔽,可將晶片上的偽控制訊號相互干擾降至最低。

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