AWS Meluncurkan Prosesor Quantum 'Ocelot' – sebuah chip yang terinspirasi oleh kucing Schrödinger yang mengoreksi kesalahan secara eksponensial dengan skala
Amazon Web Services (AWS) telah meluncurkan prototipe Komputasi kuantum chip yang merupakan yang pertama di dunia yang dilengkapi dengan “qubit kucing” yang tahan kesalahan-unit dasar informasi komputasi kuantum yang terinspirasi oleh yang terkenal Kucing Schrödinger Eksperimen pemikiran.
Itu Unit pemrosesan kuantum (QPU), bernama “Ocelot,” termasuk lima qubit data, atau qubit kucing, untuk menyimpan informasi; Lima sirkuit buffer yang terbuat dari superconductor tantalum untuk menstabilkan qubit kucing; dan empat qubit tambahan untuk mendeteksi kesalahan yang terjadi selama pemrosesan data.
Komponen internal ini dibagi di dua microchip silikon terintegrasi yang masing -masing mengukur sekitar 0,16 inci persegi (1 sentimeter persegi), membuat perangkat ini cukup kecil untuk pas di ujung jari Anda.
Arsitektur baru ini dirancang untuk secara signifikan mengurangi biaya dan energi yang dibutuhkan untuk memangkas kesalahan yang terjadi secara alami di komputer kuantum – sebuah tantangan yang masih dicoba menemukan solusi untuk (dengan kemajuan yang dibuat dalam a Februari 2024 belajar dan lainnya di April tahun laluantara lain).
Secara signifikan, para peneliti mengatakan teknologi baru dapat secara eksponensial mengurangi kesalahan karena lebih banyak qubit ditambahkan ke versi chip di masa depan. Mereka menguraikan temuan mereka dalam sebuah studi baru yang diterbitkan 26 Februari di jurnal Alam.
Menolak Noise Quantum
Karena qubit secara inheren “berisik” – yang berarti mereka sensitif terhadap gangguan dari getaran, panas, gangguan elektromagnetik dan radiasi dari luar angkasa – mereka jauh lebih rentan terhadap kegagalan daripada bit klasik. Tingkat kesalahan dalam bit klasik adalah 1 dalam 1 juta juta, dibandingkan sekitar 1 dari 1.000 dalam qubit. Laju kesalahan yang jauh lebih tinggi ini sering menyebabkan keruntuhan setiap kalkulasi dan kegagalan superposisi kuantum ketika perhitungan kuantum dilakukan.
Dua jenis kesalahan adalah kesalahan bit-flip, di mana probabilitas pengukuran 0 menjadi probabilitas mengukur 1; dan kesalahan fase-flip, di mana qubit berputar 180 derajat pada sumbu vertikal. Kesalahan bit-flip mempengaruhi kedua bit dan qubit, sementara kesalahan fase-flip hanya mempengaruhi qubit. Kebutuhan untuk memperbaiki kedua jenis kesalahan dalam sistem kuantum membutuhkan sumber daya yang signifikan dibandingkan dengan koreksi kesalahan dalam komputasi klasik.
Karena itu, para ilmuwan mengatakan bahwa komputer kuantum akan membutuhkan jutaan qubit sebelum mendekati pencapaian “Supremasi kuantum” – yang tidak mungkin dalam hal ruang fisik, energi, dan sumber daya yang diperlukan untuk membangun dan menjalankan mesin hipotetis seperti itu. Inilah sebabnya mengapa lebih banyak penelitian difokuskan pada membangun qubit yang andal yang terintegrasi dengan teknologi koreksi kesalahan.
“Logis qubit”-yang terdiri dari beberapa qubit fisik yang menyimpan informasi yang sama untuk menyebarkan titik-titik kegagalan-adalah metode koreksi kesalahan yang berlaku. Namun, para peneliti AWS mengatakan bahwa tanpa perbaikan lebih lanjut untuk perangkat keras, pendekatan saat ini datang dengan biaya yang sangat besar dan mahal, karena mereka akan membutuhkan ribuan qubit fisik untuk membentuk satu qubit logis yang mampu mencapai tingkat kesalahan yang rendah.
Ocelot, bagaimanapun, mengadopsi ubit kucing Desain yang dikembangkan oleh startup Prancis Alice & Bob. Dinamai setelah eksperimen pemikiran kucing Schrödinger yang terkenal, qubit ini dirancang sedemikian rupa sehingga secara inheren tahan terhadap kesalahan bit-flip.
Memanfaatkan 'qubits kucing' baru
Berbeda dengan qubit superkonduktor konvensional yang digunakan dalam mesin yang dibangun oleh orang -orang seperti IBM Dan Google yang dapat mencapai superposisi 1 dan 0, qubit kucing dapat mencapai superposisi ganda dari dua keadaan kuantum secara bersamaan. Alice & Bob Scientists menguraikan cara kerja teknologi ini dalam a peta jalan dan kertas putih Diterbitkan pada tahun 2024.
Cat qubit menggunakan superposisi kuantum dari keadaan seperti klasik dari amplitudo dan fase yang terdefinisi dengan baik untuk mengkodekan informasi. Menggunakan partikel bosonik secara khusus untuk menyandikan data – dalam hal ini, foton, atau partikel cahaya.
Semakin banyak energi yang dipompa ke dalam sistem, semakin banyak foton yang dibuat, dan semakin banyak amplitudo, atau status osilator, dapat diakses, yang lebih baik melindungi informasi kuantum. Meningkatkan jumlah foton dalam osilator dapat membuat laju kesalahan bit-flip secara eksponensial lebih kecil, kata para ilmuwan. Ini berarti bahwa, untuk mengurangi tingkat kesalahan, Anda tidak perlu meningkatkan jumlah qubit; Sebaliknya, Anda perlu meningkatkan energi osilator.
Eksperimen sebelumnya selama dekade terakhir telah menunjukkan potensi qubit kucing dalam demonstrasi ubit tunggal, termasuk studi dari tim yang berbeda di 2015 dan satu baru -baru ini Mei 2024. Sebuah studi yang diterbitkan di Januari Tahun ini juga menguraikan pendekatan koreksi kesalahan yang terinspirasi oleh kucing Schrödinger. Namun, AWS's Ocelot adalah contoh pertama dari sistem qubit multi-cat yang koheren yang diintegrasikan ke dalam chip yang dibangun menggunakan metode fabrikasi yang ada.
Dalam studi baru, para ilmuwan menunjukkan pengukuran yang dilakukan dengan ocelot yang menunjukkan kesalahan bit-flip secara eksponensial ditekan pada tingkat qubit fisik, sementara kesalahan fase-flip dikoreksi menggunakan kode pengorbanan kesalahan paling sederhana, yang dikenal sebagai kode pengulangan. Gerbang antara qubit kucing dan qubit yang mengoreksi kesalahan juga efektif dalam mendeteksi kesalahan fase-flip, sambil menjaga kekuatan qubit kucing untuk melindungi terhadap kesalahan bit-flip.
Hasil penelitian menunjukkan waktu bit-flip mendekati 1 detik-kira-kira 1.000 kali lebih lama dari masa hidup qubit superkonduktor konvensional. Ini dilakukan dengan menggunakan empat foton, memungkinkan waktu fase-flip yang diukur dalam puluhan mikrodetik, yang cukup untuk koreksi kesalahan kuantum.
Para ilmuwan kemudian menguji sistem untuk menentukan seberapa efektif arsitektur ini berperilaku seperti qubit logis. Tingkat kesalahan logis total adalah 1,72% saat menjalankan kode pada tiga qubit Cat, dibandingkan 1,65% saat menggunakan lima qubit Cat. Dengan total sembilan qubit (lima kucing dan empat mengoreksi kesalahan), mereka mencapai tingkat kesalahan yang sebanding dengan sistem dengan 49 qubit fisik.
Komputasi kuantum yang dapat diskalakan
Para ilmuwan memperkirakan bahwa menggunakan arsitektur di Ocelot, komputer kuantum di masa depan dengan kebutuhan “dampak sosial transformatif” sesedikit sepersepuluh dari sumber daya yang seharusnya diperlukan dengan pendekatan standar untuk koreksi kesalahan kuantum.
“Versi ocelot di masa depan sedang dikembangkan yang secara eksponensial akan menurunkan tingkat kesalahan logis, diaktifkan oleh peningkatan kinerja komponen dan peningkatan jarak kode,” rekan penulis penelitian, Fernando Brandãoseorang profesor fisika teoretis Caltech, dan Pelukis OskarProfesor Fisika Terapan di Caltech, mengatakan dalam a Posting blog teknis. “Kode yang disesuaikan dengan noise bias, seperti kode pengulangan yang digunakan dalam ocelot, dapat secara signifikan mengurangi jumlah qubit fisik yang diperlukan,” kata mereka.
“Kami percaya bahwa arsitektur Ocelot, dengan pendekatan perangkat keras yang hemat untuk koreksi kesalahan, memposisikan kami dengan baik untuk mengatasi fase berikutnya dari komputasi kuantum: belajar cara skala,” tambah Brandão dan Painter. “Penskalaan menggunakan pendekatan yang hemat perangkat keras akan memungkinkan kita untuk mencapai lebih cepat dan biaya secara efektif merupakan komputer kuantum yang dikoreksi kesalahan yang menguntungkan masyarakat.”
