D-Wave

D-Wave là công ty hàng đầu trong việc phát triển và cung cấp các hệ thống, phần mềm và dịch vụ điện toán lượng tử, đồng thời là nhà cung cấp máy tính lượng tử thương mại đầu tiên trên thế giới. Nhiệm vụ của chúng tôi là khai mở sức mạnh của điện toán lượng tử bằng cách cung cấp giá trị khách hàng thông qua các ứng dụng thực tế. Các hệ thống của chúng tôi đang được một số tổ chức tiên tiến nhất thế giới sử dụng, từ các doanh nghiệp toàn cầu như Lockheed Martin, DENSO và Volkswagen, cho đến các trung tâm nghiên cứu quốc gia như NASA Ames, Los Alamos National Lab, Oak Ridge National Lab và Forschungszentrum Jülich.

d-wave-systems_logo_201804131305387

Máy tính lượng tử D-Wave tận dụng động lực lượng tử để tăng tốc và áp dụng các phương pháp mới để giải quyết hoạt động tối ưu hóa riêng biệt phức tạp, thỏa mãn ràng buộc, trí thông minh nhân tạo, machine learning, khoa học vật liệu và các vấn đề về mô phỏng. Các loại vấn đề này có thể áp dụng cho một loạt các ứng dụng trong các lĩnh vực đa dạng như lập mô hình tài chính, kế hoạch hàng không, mô hình bầu cử, hóa học lượng tử, mô phỏng vật lý, thiết kế ô tô, y tế dự phòng, kho vận, v.v..

Hệ thống của chúng tôi sử dụng ủ lượng tử để giải quyết các vấn đề hiện hữu dưới dạng các hàm toán học (tương tự bối cảnh về cao điểm và thấp điểm) bằng cách khai thác các hiệu ứng cơ học lượng tử, bao gồm chồng chập, vướng víu và đường hầm, để tìm ra cực tiểu toàn cục, tương ứng với các giải pháp tối ưu hoặc cận tối ưu. Thiết bị của chúng tôi có phạm vi khoảng 10’ x 7’ x 10’. Vỏ bọc vật lý của thiết bị này chứa các hệ thống làm lạnh, che chắn và I/O tinh vi để hỗ trợ một đơn vị xử lý lượng tử (QPU). Để các hiệu ứng lượng tử góp phần vào hoạt động điện toán, QPU yêu cầu một môi trường cách ly. Phòng lạnh và các lớp che chắn tạo ra môi trường chân không cao bên trong với nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối được cách ly với từ trường, độ rung và tín hiệu RF bên ngoài.

Bản thân QPU được xây dựng từ một mạng lưới các qubit thông lượng siêu dẫn liên kết với nhau. Mỗi qubit được làm từ một vòng lặp kim loại nhỏ bị gián đoạn bởi mối nối Josephson. Ở nhiệt độ thấp trong hệ thống của chúng tôi, các vòng lặp này trở thành chất siêu dẫn và mang các hiệu ứng cơ học lượng tử. Khi một qubit ở trạng thái lượng tử, dòng hiện tại chảy theo cả hai hướng đồng thời, điều đó có nghĩa là qubit ở trạng thái chồng chập - tức là ở cả trạng thái 0 và 1 cùng một lúc. Vào cuối quy trình giải quyết vấn đề, sự chồng chập này thu gọn thành một trong hai trạng thái cổ điển là 0 hoặc 1.

Việc chuyển từ QPU một qubit sang đa qubit đòi hỏi các qubit phải được kết nối với nhau để trao đổi thông tin. Các qubit được kết nối thông qua các bộ ghép, đây cũng là các vòng lặp siêu dẫn. Sự kết nối giữa các qubit và bộ ghép, cùng với mạch điều khiển để quản lý từ trường, tạo ra một kết cấu tích hợp các thiết bị lượng tử lập trình. Khi QPU kết luận giải pháp cho một vấn đề, tất cả các qubit chuyển sang trạng thái cuối và các giá trị mà chúng đang giữ được trả về cho người dùng.

Khách hàng của Amazon Braket sẽ có quyền truy cập trực tiếp và theo thời gian thực vào các máy tính lượng tử D-Wave. Để tối ưu hóa việc sử dụng hệ thống, các khách hàng của AWS sẽ sử dụng D-Wave Ocean SDK, một bộ công cụ Python hỗ trợ ánh xạ vấn đề bằng cách biên dịch các mục tiêu của ứng dụng thành một dạng phù hợp đối với giải pháp trên máy tính lượng tử D-Wave, sau đó trả về các giải pháp phù hợp với ứng dụng gốc. SDK cũng bao gồm Uniform Sampler API, một lớp trừu tượng đại diện cho vấn đề ở dạng máy tính lượng tử có thể sử dụng được và các công cụ lựa chọn bộ lấy mẫu cho phép người dùng chỉ định sử dụng phương pháp nào (gọi là “bộ lấy mẫu”) để giải quyết vấn đề. Các phương pháp bao gồm chạy ủ lượng tử, phần cứng máy tính cổ điển chạy các thuật toán cổ điển hoặc bộ lấy mẫu được thiết kế tùy chỉnh tiềm năng.

Mặc dù người dùng có thể gửi các vấn đề lên hệ thống theo một số cách khác nhau, nhưng cuối cùng một vấn đề sẽ được thể hiện dưới dạng một tập hợp các giá trị tương ứng với trọng số của các qubit và cường độ của các bộ ghép. Các giải pháp cho vấn đề sẽ tương ứng với cấu hình tối ưu của qubit tìm được; tức là những điểm thấp nhất trong bối cảnh năng lượng. Những giá trị này sẽ được trả về cho người dùng. Do các máy tính lượng tử mang tính xác suất chứ không phải tất định nên nhiều giá trị có thể được trả về dưới dạng tập hợp các giải pháp tốt, nếu không phải là tối ưu, cho một vấn đề.

IonQ

IonQ là công ty hàng đầu trong lĩnh vực điện toán lượng tử phổ quát. Chúng tôi tin rằng cách tốt nhất để chế tạo máy tính lượng tử là bắt đầu từ bản chất: IonQ sử dụng các nguyên tử riêng lẻ làm trọng tâm của các đơn vị xử lý lượng tử. Chúng tôi khiến chúng lơ lửng trong không gian với các điện cực bán dẫn trên một con chip. Sau đó, chúng tôi sử dụng laser để chuẩn bị ban đầu, vận hành cổng và hiển thị thông tin cuối. Để kết hợp tất cả lại với nhau, ta cần có vật lý trực quan, kỹ thuật cơ học và quang học chính xác cũng như kiểm soát firmware ở mức độ chi tiết trên nhiều thành phần. IonQ được thành lập vào năm 2015 bởi Kim Jung Sang và Christopher Monroe.

IonQ Logo

Việc thực thi các tác vụ điện toán trên máy tính lượng tử của chúng tôi được thực hiện bằng cách lập trình chuỗi các xung laser được sử dụng để triển khai mỗi hoạt động của cổng lượng tử. Kiến trúc hệ thống của chúng tôi cho phép vận hành cổng giữa một tập hợp các bit lượng tử, hay qubit, tùy ý trong hệ thống, biến hệ thống này thành một cỗ máy điện toán có độ linh hoạt cao và có thể chạy một loạt các thuật toán lượng tử một cách hiệu quả. Hệ thống của chúng tôi có thể thực thi một loạt các thuật toán lượng tử được thiết kế để giải quyết các vấn đề trong mô phỏng hóa học và vật liệu, kho vận và tối ưu hóa, dược phẩm và các ứng dụng bảo mật.

Cách tiếp cận bẫy ion của IonQ với điện toán lượng tử bắt đầu bằng các nguyên tử ytterbium bị ion hóa. Hai trạng thái nội bộ của các nguyên tử giống hệt nhau này tạo thành các qubit, yếu tố quan trọng nhất của bất kỳ máy tính lượng tử nào. Mỗi nguyên tử ytterbium sẽ giống hoàn toàn với mọi nguyên tử ytterbium khác trong vũ trụ phổ quát. Đầu tiên, chúng tôi lấy một electron từ nguyên tử để biến nguyên tử này thành ion và sử dụng một con chip chuyên dụng gọi là bẫy ion tuyến tính để giữ nguyên tử tại vị trí chính xác trong không gian 3D. Bẫy ion có khoảng 100 điện cực nhỏ được thiết kế, chế tạo và điều khiển chính xác để tạo ra lực điện từ giúp giữ và cách ly các ion khỏi môi trường nhằm giảm thiểu độ nhiễu và hủy gắn kết của môi trường.

Khi đã có ion đầu tiên, chúng tôi có thể đưa số lượng ion bất kỳ vào chuỗi tuyến tính. Khả năng tái cấu hình theo nhu cầu này cho phép chúng tôi - về mặt lý thuyết - tạo ra bất cứ thứ gì, từ hệ thống một qubit đến hệ thống 100+ qubit (hiện không có sẵn) mà không phải chế tạo chip mới hoặc thay đổi phần cứng nền tảng. Một khi các nguyên tử bị bẫy, chúng tôi có thể giữ các nguyên tử này ở bất kỳ trạng thái lượng tử nào và chúng vẫn ở trạng thái đó vô thời hạn miễn là các qubit được cách ly thích hợp với môi trường. Trước khi có thể sử dụng các ion để thực hiện tính toán lượng tử, chúng tôi phải chuẩn bị chúng cho tác vụ này. Việc này bao gồm hai bước: làm mát để giảm độ nhiễu điện toán và chuẩn bị trạng thái để khởi tạo mỗi ion thành trạng thái “không” dễ xác định và sẵn sàng để sử dụng.

Chúng tôi thực hiện vận hành cổng với một loạt các tia laser riêng lẻ, mỗi tia chiếu lên một ion riêng lẻ, cộng với một tia “toàn cầu”. Sự giao thoa giữa hai tia tạo ra tín hiệu điều khiển có thể kích hoạt các qubit sang trạng thái khác. Chúng tôi có thể điều khiển trạng thái của các ion để tạo ra các cổng một qubit và cổng hai qubit. Hiện nay, chúng tôi đã chạy các cổng một qubit trên chuỗi 79 ion và các thuật toán phức tạp bao gồm nhiều cổng hai qubit trên chuỗi gồm tối đa 11 ion. Sau khi thực hiện tính toán, việc đọc kết quả được hoàn thành bằng cách chiếu tia laser cộng hưởng vào tất cả các ion để thu gọn thông tin lượng tử về một trong hai trạng thái. Việc thu thập và đo lường ánh sáng này cho phép chúng tôi đọc đồng thời trạng thái thu gọn của mọi ion — một trong những trạng thái này phát sáng để phản ứng với ánh sáng laser, những trạng thái còn lại thì không. Chúng tôi diễn giải kết quả dưới dạng chuỗi nhị phân. Để cách ly các qubit ion nguyên tử khỏi môi trường, chúng tôi đặt bẫy bên trong buồng chân không cực cao, bơm xuống áp suất khoảng 10-11 Torr. Ở áp suất này, có ít phân tử trên một đơn vị thể tích nhất định hơn so với ở ngoài không gian.

Rigetti

Rigetti Computing xây dựng và triển khai các hệ thống điện toán lượng tử tích hợp tận dụng công nghệ qubit siêu dẫn. Các hệ thống này cho phép các tổ chức tăng cường dòng công việc điện toán hiện có với bộ xử lý lượng tử mạnh mẽ. Rigetti phục vụ khách hàng trong ngành tài chính, bảo hiểm, dược phẩm, quốc phòng và năng lượng với phần mềm tùy chỉnh và các giải pháp trọn gói tập trung vào các ứng dụng mô phỏng, tối ưu hóa và machine learning. Công ty có trụ sở tại California, Hoa Kỳ và văn phòng tại Washington, DC, Úc và Vương quốc Anh.

Rigetti_Computing

Bộ xử lý lượng tử Rigetti là các máy mô hình cổng, phổ quát dựa trên các qubit siêu dẫn. Các chip dòng Aspen của chúng tôi có các mạng tinh thể có thể xếp cạnh gồm các qubit siêu dẫn có tần suất cố định luân phiên và có thể điều chỉnh trong một kiến trúc hệ thống quy mô linh hoạt theo số lượng qubit lớn. Các cổng logic vướng víu tham số trên các chip này cũng cung cấp thời lượng cổng và tốc độ thực thi chương trình nhanh chóng. Các chip lượng tử dòng Aspen được chế tạo trong xưởng đúc thiết bị chuyên dụng của Rigetti, sử dụng các kỹ thuật sản xuất tiên tiến cho các mạch siêu dẫn. Kết quả có được là sự kết hợp mạnh mẽ giữa độ chính xác, quy mô và tốc độ.
Bộ xử lý Rigetti bao gồm ba hệ thống phụ chủ chốt. Đầu tiên, các chương trình người dùng được tối ưu hóa thành các lệnh gốc máy thông qua chuỗi công cụ biên soạn hiệu quả. Sau đó, bộ điều khiển phần cứng có độ trễ thấp sắp xếp các lệnh này dưới dạng các tín hiệu điện được hiệu chỉnh. Cuối cùng, các qubit được tạo ra từ các phần tử mạch siêu dẫn kết hợp sẽ chuyển tải các tín hiệu điện này một cách hợp lý theo các cổng lượng tử kỹ thuật số và các lệnh đo lường.

Đồ thị kết nối chip Aspen có hình bát giác 3 chiều (2 chiều đối với các biên) kết nối với nhau. Trình biên soạn quilc của Rigetti ánh xạ một thuật toán lượng tử trừu tượng lên mạng kết nối vật lý này. Cổng “SWAP”, cổng trao đổi các trạng thái lượng tử giữa các qubit mà không làm chúng vướng víu, có thể đưa thông tin lượng tử qua bộ xử lý Aspen để liên kết các qubit lân cận nhưng không gần nhất. Bởi vì đây có thể là các hoạt động tốn kém nên trình biên soạn quilc được tối ưu hóa cao đối với “vấn đề bố cục”. Cụ thể, độ sâu biên soạn cho các chương trình trên đồ thị Aspen thường được ước tính nhỏ hơn hoặc xấp xỉ bằng cấu trúc chương trình nối tiếp hoàn toàn.

Cơ chế cổng vướng víu hai qubit của Rigetti (thường là cổng giai đoạn kiểm soát hoặc cổng “CZ”) được thúc đẩy thực hiện bằng cách điều khiển biến điệu tần số (FM) điện. Đối với lớp “cổng tham số” này, bộ điều khiển thực thi lệnh cổng CZ thông qua phân cực điện sẽ quản lý các điểm vận hành tần số vô tuyến (GHz) của một qubit (hãy nghĩ về “quay số vô tuyến”), chuyển đổi phổ FM này thành cộng hưởng với một qubit lân cận gần nhất trong thời lượng được xác định chính xác. Trên đồ thị Aspen, lược đồ này yêu cầu ít nhất một nửa số qubit là có thể điều chỉnh FM. Để ước tính ảnh hưởng của việc hủy gắn kết đối với thuật toán, tuổi thọ của các qubit (~ 25-50 μs) nên được so sánh với thời lượng cổng (~ 50-200 ns) nhân với độ sâu mạch của thuật toán. Những thời lượng này từ bộ xử lý mới nhất của Rigetti (Aspen-7), dựa trên hệ số dạng 32 qubit, được thể hiện trong Bảng 1.

rsz_rigetti_figure64ba7215f8ce1086540e2b602ccd9b8d86b1b633
Hình 1 - Cấu trúc liên kết mạch quy mô linh hoạt của các chip dòng Aspen của Rigetti với các qubit được gắn nhãn trong các kết nối qubit-qubit trực tiếp và base-8 được thể hiện dưới dạng đồ thị.

Rigetti Aspen-7

Trung bình Thời lượng (μs)

Vòng đời T1

41

Vòng đời T2

35

Vận hành cổng một qubit

0,080

Vận hành cổng hai qubit

0,34

Hoạt động hiển thị kết quả

1,3

Hoạt động đặt lại đăng ký

10

Bảng 1 - Vòng đời và tốc độ hoạt động của bộ xử lý Aspen-7, dữ liệu được lấy vào ngày 24/10/2019.

Rigetti Aspen-7

Trung bình Độ chính xác (mỗi hoạt động)

Cổng một qubit

98,7%

Cổng hai qubit

95,2%

SPAM

96,4%

Hoạt động trung bình hình học

97,2%

Bảng 2 - Độ chính xác trên mỗi hoạt động đối với bộ xử lý Aspen-7, dữ liệu được lấy vào ngày 24/10/2019.

Độ trung thực trung bình điển hình cho các cổng một qubit, cổng hai qubit, lệnh đo lường và chuẩn bị trạng thái (SPAM) cho Aspen-7 được thể hiện trong Bảng 2. Trong khi các định chuẩn phức tạp hơn có thể chạy được trên các máy tính lượng tử phổ quát thì ước tính bậc nhất cho hiệu năng cấp độ chip là giá trị trung bình hình học của từng loại lệnh; tức là trên một qubit, hai qubit trung bình và các hoạt động chuẩn bị/hiển thị kết quả đăng ký của một con chip: chip Aspen-7 có độ chính xác 97,2%. Trong mạch tích hợp, kết nối điện tử xuyên silicon và tấm chắn siêu dẫn gắn kiểu lật giúp giảm thiểu nhiễu xuyên âm tín hiệu điều khiển giả trên chip.

Product-Page_Standard-Icons_01_Product-Features_SqInk
Bạn có thắc mắc?

Xem lại FAQ về Amazon Braket

Tìm hiểu thêm 
Product-Page_Standard-Icons_02_Sign-Up_SqInk
Đăng ký tài khoản miễn phí

Nhận quyền sử dụng ngay lập tức Bậc miễn phí của AWS. 

Đăng ký 
Product-Page_Standard-Icons_03_Start-Building_SqInk
Đăng ký để nhận bản xem trước

Đăng ký để nhận bản xem trước và bắt đầu

Đăng ký 
Nội dung trang
D-Wave IonQ Rigetti