En AWS kvanthårdvaruingenjör arbetar på ett utspädningskylskåp. Prestandan hos supraledande kvantenheter är starkt beroende av exakta ledningskonfigurationer för att minimera termiska fluktuationer som bidrar till brus.
Bild: AWS
Molnjätten AWS utökar sin närvaro i kvantindustrin med öppningen av ett skinande nytt Center for Quantum Computing i Kalifornien. Här kommer toppakademiker och ingenjörer att arbeta med att bygga företagets alldeles egna supraledande kvantdator.
Beläget nordost om Los Angeles i Pasadena, tillkännagavs den två våningar höga anläggningen på 21 000 kvadratmeter först av AWS 2019 och har byggts under de senaste två åren i samarbete med det närliggande California Institute of Technology (Caltech). Caltech-forskare kommer att ingå i centrets tekniska team och tillsammans med experter från Amazon och från akademiska institutioner leda AWS ansträngningar att bygga en storskalig, feltolerant kvantdator.
Den nya byggnaden innehåller kontorsutrymmen för kvantforskarteam, såväl som laboratorier utrustade med de specialiserade verktyg – allt från kryogena kylsystem till ledningar – som behövs för att bygga kvanthårdvara.
Lanseringen av AWS Center for Quantum Computing ser att Amazon upprepar sin ambition att ta en ledande roll inom kvantberäkningsområdet, som en dag förväntas släppa lös oöverträffade mängder datorkraft. Experter förutspår att kvantdatorer, när de är byggda i tillräckligt stor skala, kommer att ha potential att lösa problem som är omöjliga att köra på klassiska datorer, och låsa upp enorma vetenskapliga och affärsmässiga möjligheter inom områden som materialvetenskap, transport eller tillverkning.
Det finns flera tillvägagångssätt för att bygga kvanthårdvara, alla förlitar sig på olika metoder för att kontrollera och manipulera byggstenarna i kvantdatorer, så kallade qubits. AWS har meddelat att företaget har valt att fokusera sina ansträngningar på supraledande qubits — samma metod som används av rivaliserande kvantteam på bland annat IBM och Google.
AWS anser att supraledande processorer har ett försprång på alternativa tillvägagångssätt: “Supraledande qubits har flera fördelar, en av dem är att de kan utnyttja mikrotillverkningstekniker som härrör från halvledarindustrin,” Nadia Carlsten, produktchef vid AWS Center for Quantum Computing, säger till ZDNet. “Vi kan tillverka ett stort antal qubits på en silikonwafer och göra det på ett repeterbart sätt, och den skalbarheten kommer att vara viktig.”
Skalning av hårdvaran är ett av de primära fokusområdena inom kvantindustrin. Tekniken är fortfarande i sin linda, med majoriteten av kvantprocessorer som endast stöder några dussin qubits. IBMs mest avancerade supraledande kvantsystem är till exempel begränsat till 65 qubits.
Men kvantdatorer som kan lösa problem med samhälleligt och kommersiellt värde kommer att kräva processorer som kan stödja miljontals qubits. Detta är målet som AWS sätter upp för sig självt: företaget utlovar ett “djärvt tillvägagångssätt” som kommer att leverera ett system som kan exekvera algoritmer som kräver miljarder kvantgrindoperationer.
“Det är en stor utmaning vi” åter tar på, säger Carlsten. “Vi måste skala kvantsystem i storlek och lära oss nya smarta sätt att styra dessa större system, men vi måste också göra detta på ett sätt för att hålla bruset i schack så att felfrekvensen är tillräckligt låg för att tillåta beräkningar som kräver mycket stora antal grindoperationer.”
AWS Center for Quantum Computing på Caltech-campus.
Bild: AWS
Felfrekvenser är ett av de största hindren för att skala dagens kvantdatorer. Detta beror på att qubits är mycket ömtåliga, och alla små störningar från deras omgivning kan få dem att falla från det speciella kvanttillstånd som driver kvantdatorer. Detta fenomen är känt som dekoherens och är ansvarigt för de höga felfrekvenserna som försvårar beräkningarna som utförs av befintliga kvantprocessorer.
Klassiska datorer, till exempel, upplever felfrekvenser på nivån ett fel per miljard operationer, medan kvantdatorer upplever ett fel på var tusende operation.
Detta har gett vika för utvecklingen av ett forskningsfält som kallas kvantfelskorrigering (QEC), som är dedikerat till att skydda kvantinformation från dekoherens. Ett sätt att utföra QEC består i att använda många ofullkomliga qubits (kallade 'fysiska qubits') för att bilda en kontrollerbar qubit (kallad 'logisk qubit'), som kodar kvantinformationen och kan användas för att upptäcka och korrigera fel.
Men QEC skapar en stor hårdvaruoverhead i och med att många fysiska qubits krävs för att koda varje logisk qubit: enligt Carlsten kräver varje skyddad qubit vanligtvis 1 000 fysiska qubits. Detta gör det ännu svårare att bygga en universell kvantdator som består av storskaliga qubit-kretsar.
AWS ser forskning inom QEC som nyckeln till att lösa många av de skalningsproblem som förlamar kvantberäkningen. “En av de saker som vårt team av experter på AWS Center for Quantum Computing fokuserar på är hur man implementerar kvantfelskorrigering på ett sätt som är hårdvarueffektivt, vilket drastiskt minskar antalet fysiska qubits som behövs”, säger Carlsten.
Tidigare i år släppte företaget sitt första forskningsdokument som beskriver en plan för ett nytt tillvägagångssätt för QEC, som forskarna sa kunde förbättra felkorrigeringen med mindre fysiska qubits. Uppsatsen föreslog en arkitektur där drygt 2 000 supraledande komponenter som används för stabilisering skulle kunna producera hundra logiska qubits som kan exekvera 1 000 grindar.
Planet var rent teoretiskt, och många utmaningar kvarstår för att bevisa att arkitekturen kunde ta form som en fysisk enhet. Ändå menar Carlsten att det finns anledning att vara optimistisk. “Genom att minska antalet fysiska qubits som krävs, minskar vi också omfattningen av de stödsystem som krävs för att styra processorn.”
Ur ett ingenjörsperspektiv gör detta tillvägagångssätt därför en storskalig kvantdator till ett mer realistiskt förslag.
Det är fortfarande mycket tidiga dagar för AWS:s kvantberäkningsinitiativ, med det mesta av företagets arbete på området fortfarande teoretiskt, och stora utmaningar ligger framför oss. Carlsten erkänner att hennes team bara har kommit igång och att framsteg kommer att ta flera år.
“Det är en enorm utmaning, men en som vi tror att vi är väl positionerade för att ta oss an”, säger Carlsten.
Så småningom vill AWS att dess kvanthårdvara ska vara tillgänglig i molnet för företagets kunder att använda på AWS Braket – en helt hanterad och molnbaserad kvantplattform som lanserades 2019 som gör det möjligt för kunder att komma åt datorer från tredjepartsleverantörer av kvanthårdvara . Carlsten gav dock ingen färdplan eller tidslinje för företagets nästa kvantprestationer.
Detta skulle göra det möjligt för molnjätten att komma ikapp IBM och Google, som båda redan gör sin kvanthårdvara tillgänglig i sina egna moln för kunderna att använda. IBM har nu till och med börjat distribuera kvantdatorer utanför labbet och direkt i utvalda kunders datacenter.
Hårdvara
Framtiden för persondatorer ser ut precis som en M1 Mac Google Tensor: Allt du behöver veta om Pixel 6-chippet Walmarts tidiga Black Friday-försäljning inkluderar $87 Chromebook, $299 iPhone 12 mini Den bästa NAS:en: Nätverksanslutna lagringsenheter för ditt hem eller företag Amazon | Datorer | Servrar | Förvaring | Nätverk | Datacenter