En AWS kvantemaskinvareingeniør jobber med et fortynningskjøleskap. Ytelsen til superledende kvanteenheter er sterkt avhengig av presise ledningskonfigurasjoner for å minimere termiske svingninger som bidrar til støy.
Bilde: AWS
Nettskygiganten AWS utvider sin tilstedeværelse i kvanteindustrien med åpningen av et skinnende nytt Center for Quantum Computing i California. Her skal toppakademikere og ingeniører jobbe med å bygge selskapets helt egen superledende kvantedatamaskin.
Ligger nordøst for Los Angeles i Pasadena, ble det to-etasjes, 21 000 kvadratmeter store anlegget først annonsert av AWS i 2019 og har blitt bygget i løpet av de siste to årene i samarbeid med det nærliggende California Institute of Technology (Caltech). Caltech-forskere vil være en del av senterets tekniske team, og vil sammen med eksperter fra Amazon og fra akademiske institusjoner lede AWS sitt arbeid med å bygge en storskala, feiltolerant kvantedatamaskin.
Det nye bygget inkluderer kontorlokaler for kvanteforskningsteam, samt laboratorier utstyrt med de spesialiserte verktøyene – alt fra kryogene kjølesystemer til ledninger – som trengs for å bygge kvantemaskinvare.
Lanseringen av AWS Center for Quantum Computing ser at Amazon gjentar sin ambisjon om å ta en ledende rolle innen kvantedatabehandling, som en dag forventes å frigjøre enestående mengder datakraft. Eksperter spår at kvantedatamaskiner, når de bygges i stor nok skala, vil ha potensiale til å løse problemer som er umulige å kjøre på klassiske datamaskiner, og låse opp enorme vitenskapelige og forretningsmuligheter innen felt som materialvitenskap, transport eller produksjon.
Det er flere tilnærminger til å bygge kvantemaskinvare, som alle er avhengige av forskjellige metoder for å kontrollere og manipulere byggesteinene til kvantedatamaskiner, kalt qubits. AWS har annonsert at selskapet har valgt å fokusere innsatsen på superledende qubits — den samme metoden som brukes av rivaliserende kvanteteam hos blant annet IBM og Google.
AWS regner med at superledende prosessorer har et forsprang på alternative tilnærminger: “Superledende qubits har flere fordeler, en av dem er at de kan utnytte mikrofabrikasjonsteknikker avledet fra halvlederindustrien,” Nadia Carlsten, produktsjef ved AWS Center for Quantum Computing, forteller ZDNet. “Vi kan lage et stort antall qubits på en silisiumwafer og gjøre det på en repeterbar måte, og den skalerbarheten vil være viktig.”
Skalering av maskinvaren er et av hovedfokusområdene på tvers av kvanteindustrien. Teknologien er fortsatt i sin spede begynnelse, med flertallet av kvanteprosessorer som støtter bare noen få dusin qubits. IBMs mest avanserte superledende kvantesystem er for eksempel begrenset til 65 qubits.
Men kvantedatamaskiner som kan løse problemer med samfunnsmessig og kommersiell verdi, vil kreve prosessorer som kan støtte millioner av qubits. Dette er målet som AWS setter for seg selv: selskapet lover en “dristig tilnærming” som vil levere et system som kan utføre algoritmer som krever milliarder av kvanteportoperasjoner.
“Det er en stor utfordring vi” tar på, sier Carlsten. “Vi må skalere kvantesystemer i størrelse og lære nye smarte måter å kontrollere disse større systemene på, men vi må også gjøre dette på en måte for å holde støyen i sjakk slik at feilratene er lave nok til å tillate beregninger som krever svært store antall portoperasjoner.”
AWS Center for Quantum Computing på Caltech-campus.
Bilde: AWS
Feilrater er en av de viktigste hindringene for å skalere dagens kvantedatamaskiner. Dette er fordi qubits er veldig skjøre, og eventuelle små forstyrrelser fra miljøet rundt kan føre til at de faller fra den spesielle kvantetilstanden som driver kvantedatamaskiner. Dette fenomenet er kjent som dekoherens, og er ansvarlig for de høye feilratene som gjør at beregningene som er utført av eksisterende kvanteprosessorer går i boks.
Klassiske datamaskiner opplever for eksempel feilrater på nivået én feil per milliard operasjoner; mens kvantedatamaskiner opplever én feil i hver tusende operasjon.
Dette har gitt plass til utviklingen av et forskningsfelt kjent som kvantefeilkorreksjon (QEC), som er dedikert til å beskytte kvanteinformasjon mot dekoherens. En måte å utføre QEC på består i å bruke mange ufullkomne qubits (kalt 'fysiske qubits') for å danne én kontrollerbar qubit (kalt 'logisk qubit'), som koder for kvanteinformasjonen og kan brukes til å oppdage og korrigere feil.
Men QEC skaper en stor maskinvareoverhead ved at mange fysiske qubits kreves for å kode hver logiske qubit: ifølge Carlsten krever hver beskyttet qubit typisk 1000 fysiske qubits. Dette gjør det enda vanskeligere å bygge en universell kvantedatamaskin som består av storskala qubit-kretser.
AWS ser på forskning i QEC som nøkkelen til å løse mange av skaleringsproblemene som lammer kvantedatabehandling. “En av tingene vårt team av eksperter ved AWS Center for Quantum Computing er fokusert på, er hvordan man implementerer kvantefeilkorreksjon på en måte som er maskinvareeffektiv, noe som drastisk reduserer antallet fysiske qubits som trengs,” sier Carlsten.
Tidligere i år ga selskapet ut sin første forskningsartikkel som beskriver en plan for en ny tilnærming til QEC, som forskerne sa kunne forbedre feilrettingen med færre fysiske qubits. Artikkelen foreslo en arkitektur der litt over 2000 superledende komponenter brukt til stabilisering kunne produsere hundre logiske qubits som er i stand til å utføre 1000 porter.
Blåplanen var rent teoretisk, og mange utfordringer gjenstår for å bevise at arkitekturen kan ta form som en fysisk innretning, men Carlsten hevder at det er grunn til å være optimistisk. “Ved å kutte ned antallet fysiske qubits som kreves, kutter vi også ned på omfanget av støttesystemene som kreves for å kontrollere prosessoren.”
Fra et ingeniørperspektiv gjør derfor denne tilnærmingen en storskala kvantedatamaskin til et mer realistisk forslag.
Det er fortsatt veldig tidlig for AWS sitt kvanteberegningsinitiativ, med det meste av selskapets arbeid på feltet fortsatt teoretisk, og store utfordringer ligger foran oss. Carlsten erkjenner at teamene hennes bare er i gang, og at fremgangen vil ta flere år.
“Det er en enorm utfordring, men en som vi tror vi er godt posisjonert for å ta fatt på,” sier Carlsten.
Etter hvert vil AWS at kvantemaskinvaren skal være tilgjengelig i skyen for selskapets kunder å bruke på AWS Braket – en fullt administrert og skybasert kvanteplattform lansert i 2019 som gjør det mulig for kunder å få tilgang til datamaskiner fra tredjeparts leverandører av kvantemaskinvare . Carlsten ga imidlertid ikke et veikart eller tidslinje for selskapets neste kvanteprestasjoner.
Dette vil tillate skygiganten å ta igjen IBM og Google, som begge allerede gjør sin kvantemaskinvare tilgjengelig i sine egne skyer for kunder å bruke. IBM har nå til og med begynt å distribuere kvantedatamaskiner utenfor laboratoriet og direkte inn i utvalgte kunders datasentre.
Maskinvare
Fremtiden til personlig databehandling ser akkurat ut som en M1 Mac Google Tensor: Alt du trenger å vite om Pixel 6-brikken Walmarts tidlige Black Friday-salg inkluderer $87 Chromebook, $299 iPhone 12 mini Den beste NAS-en: Nettverkstilkoblede lagringsenheter for hjemmet eller bedriften din
Relaterte emner:
Amazon PC-servere Lagring Nettverksdatasentre 