En AWS quantum hardware ingeniør arbejder på et fortyndingskøleskab. Ydeevnen af superledende kvanteenheder afhænger i høj grad af præcise ledningskonfigurationer for at minimere termiske udsving, der bidrager til støj.
Billede: AWS
Cloud computing-giganten AWS udvider sin tilstedeværelse i kvanteindustrien med åbningen af et skinnende nyt Center for Quantum Computing i Californien. Her skal topakademikere og ingeniører arbejde på at bygge virksomhedens helt egen superledende kvantecomputer.
Beliggende nordøst for Los Angeles i Pasadena, blev den to-etagers 21.000 kvadratmeter store facilitet først annonceret af AWS i 2019 og er blevet bygget i løbet af de sidste to år i samarbejde med det nærliggende California Institute of Technology (Caltech). Caltech-forskere bliver en del af centrets tekniske team og skal sammen med eksperter fra Amazon og fra akademiske institutioner lede AWS' bestræbelser på at bygge en storstilet, fejltolerant kvantecomputer.
Den nye bygning omfatter kontorlokaler til kvanteforskerhold samt laboratorier udstyret med de specialiserede værktøjer – lige fra kryogene kølesystemer til ledninger – der er nødvendige for at bygge kvantehardware.
Lanceringen af AWS Center for Quantum Computing ser Amazon gentage sin ambition om at tage en førende rolle inden for kvantecomputere, som forventes en dag at frigive hidtil usete mængder af computerkraft. Eksperter forudser, at kvantecomputere, når de bygges i en tilstrækkelig stor skala, vil have potentialet til at løse problemer, der er umulige at køre på klassiske computere, og låse op for enorme videnskabelige og forretningsmæssige muligheder inden for områder som materialevidenskab, transport eller fremstilling.
Der er flere tilgange til at bygge kvantehardware, som alle er afhængige af forskellige metoder til at kontrollere og manipulere byggestenene i kvantecomputere, kaldet qubits. AWS har annonceret, at virksomheden har valgt at fokusere sin indsats på superledende qubits – den samme metode, der bruges af rivaliserende kvanteteams hos blandt andet IBM og Google.
AWS regner med, at superledende processorer har en fordel i forhold til alternative tilgange: “Superledende qubits har flere fordele, en af dem er, at de kan udnytte mikrofremstillingsteknikker afledt af halvlederindustrien,” Nadia Carlsten, produktchef hos AWS Center for Quantum Computing, fortæller ZDNet. “Vi kan fremstille et stort antal qubits på en siliciumwafer og gøre det på en gentagelig måde, og den skalerbarhed vil være vigtig.”
Skalering af hardwaren er et af de primære fokusområder på tværs af kvanteindustrien. Teknologien er stadig i sin vorden, hvor størstedelen af kvanteprocessorer kun understøtter et par dusin qubits. IBMs mest avancerede superledende kvantesystem er for eksempel begrænset til 65 qubits.
Men kvantecomputere, der kan løse problemer med samfundsmæssig og kommerciel værdi, vil kræve processorer, der kan understøtte millioner af qubits. Dette er det mål, som AWS sætter for sig selv: Virksomheden lover en “fed tilgang”, der vil levere et system, der kan udføre algoritmer, der kræver milliarder af kvante-gate-operationer.
“Det er en stor udfordring, vi” igen, siger Carlsten. “Vi er nødt til at skalere kvantesystemer i størrelse og lære nye smarte måder at kontrollere disse større systemer på, men vi er også nødt til at gøre dette på en måde for at holde støjen i skak, så fejlraterne er lave nok til at tillade beregninger, der kræver meget store antal gate-operationer.”
AWS Center for Quantum Computing på Caltech-campus.
Billede: AWS
Fejlrater er en af de største hindringer for at skalere nutidens kvantecomputere. Dette skyldes, at qubits er meget skrøbelige, og enhver mindre forstyrrelse fra deres omgivende miljø kan få dem til at falde fra den specielle kvantetilstand, der driver kvantecomputere. Dette fænomen er kendt som dekohærens og er ansvarligt for de høje fejlrater, der er en gåde for beregningerne udført af eksisterende kvanteprocessorer.
Klassiske computere oplever f.eks. fejlfrekvenser på niveau med én fejl pr. milliard operationer, mens kvantecomputere oplever én fejl for hver tusinde operationer.
Dette har givet plads til udviklingen af et forskningsfelt kendt som quantum error correction (QEC), som er dedikeret til at beskytte kvanteinformation mod dekohærens. En måde at udføre QEC på består i at bruge mange uperfekte qubits (kaldet 'fysiske qubits') til at danne én kontrollerbar qubit (kaldet 'logisk qubit'), som koder kvanteinformationen og kan bruges til at opdage og rette fejl.
Men QEC skaber en stor hardwareoverhead, idet der kræves mange fysiske qubits for at kode hver logisk qubit: ifølge Carlsten kræver hver beskyttet qubit typisk 1.000 fysiske qubits. Dette gør det endnu sværere at bygge en universel kvantecomputer, der omfatter qubit-kredsløb i stor skala.
AWS ser forskning i QEC som nøglen til at løse mange af de skaleringsproblemer, der lammer kvantecomputere. “En af de ting, vores team af eksperter på AWS Center for Quantum Computing er fokuseret på, er, hvordan man implementerer kvantefejlkorrektion på en måde, der er hardwareeffektiv, hvilket drastisk reducerer antallet af nødvendige fysiske qubits,” siger Carlsten.
Tidligere på året udgav virksomheden sit første forskningspapir, der beskriver en plan for en ny tilgang til QEC, som forskerne sagde kunne forbedre fejlkorrektion med færre fysiske qubits. Papiret foreslog en arkitektur, hvor lidt over 2.000 superledende komponenter brugt til stabilisering kunne producere hundrede logiske qubits, der er i stand til at udføre 1.000 porte.
Bluprintet var rent teoretisk, og der er mange udfordringer tilbage for at bevise, at arkitekturen kunne tage form som en fysisk enhed. Alligevel argumenterer Carlsten for, at der er grund til at være optimistisk. “Ved at skære ned på antallet af nødvendige fysiske qubits, skærer vi også ned på omfanget af de understøttende systemer, der kræves til at styre processoren.”
Fra et ingeniørmæssigt perspektiv gør denne tilgang derfor en storstilet kvantecomputer til et mere realistisk forslag.
Det er stadig meget tidlige dage for AWS' kvanteberegningsinitiativ, hvor det meste af virksomhedens arbejde på området stadig er teoretisk, og store udfordringer ligger forude. Carlsten erkender, at hendes teams kun lige er startet, og at fremskridt vil tage flere år.
“Det er en massiv udfordring, men en, som vi mener, vi er godt rustet til at tage på,” siger Carlsten.
Til sidst ønsker AWS, at deres kvantehardware skal være tilgængelig i skyen, så virksomhedens kunder kan bruge dem på AWS Braket – en fuldt administreret og cloud-baseret kvanteplatform, der blev lanceret i 2019, der giver kunderne adgang til computere fra tredjeparts kvantehardwareudbydere . Carlsten gav dog ikke en køreplan eller tidslinje for virksomhedens næste kvantepræstationer.
Dette ville give skygiganten mulighed for at indhente IBM og Google, som begge allerede gør deres kvantehardware tilgængelig i deres egne skyer, så kunderne kan bruge dem. IBM er nu endda begyndt at implementere kvantecomputere uden for laboratoriet og direkte i udvalgte kunders datacentre.
Hardware
Fremtiden for personlige computere ligner en M1 Mac Google Tensor: Alt hvad du behøver at vide om Pixel 6-chippen Walmarts tidlige Black Friday-salg inkluderer $87 Chromebook, $299 iPhone 12 mini Den bedste NAS: Netværkstilsluttede lagerenheder til dit hjem eller forretning Amazon | PC'er | Servere | Opbevaring | Netværk | Datacentre