Amazon Web Services ha sviluppato il suo primo chip di calcolo quantistico, chiamato Ocelot. Questo chip innovativo dimostra un approccio più efficiente alla correzione degli errori quantistici, una delle sfide fondamentali nella costruzione di computer quantistici pratici.
L'architettura dietro Ocelot
Il design di Ocelot presenta nove qubit su un chip di silicio di un centimetro quadrato. Ciò che rende unica questa architettura è il suo approccio ibrido: cinque di questi qubit sono "cat qubit" (chiamati così in riferimento all'esperimento mentale di Schrödinger), mentre i rimanenti quattro sono qubit transmon.
In questa disposizione, i cat qubit memorizzano le informazioni mentre i qubit transmon li monitorano. Questo differisce in modo significativo dai design basati solo su transmon utilizzati da altri principali attori nel campo del calcolo quantistico.
I cat qubit sono costituiti da strutture cave in tantalio che contengono radiazioni a microonde, integrate con un chip di silicio. Come tutte le apparecchiature di calcolo quantistico, Ocelot deve operare a temperature prossime allo zero assoluto.
Risolvere il problema della correzione degli errori
I computer quantistici sono intrinsecamente soggetti a errori, e sviluppare una correzione degli errori efficace è cruciale per le applicazioni pratiche. Gli approcci tradizionali alla correzione degli errori quantistici richiedono risorse hardware sostanziali – recentemente, Google ha richiesto 105 qubit per codificare un singolo bit di informazione quantistica corretta da errori.
L'innovazione chiave di Ocelot risiede nel suo design di correzione degli errori più efficiente. Secondo Oskar Painter, responsabile dell'hardware quantistico presso AWS, il loro approccio richiede solo circa un decimo del numero di qubit per bit di informazione rispetto ai metodi convenzionali.
In una ricerca pubblicata su Nature, i ricercatori di AWS hanno dimostrato questa efficienza codificando un singolo bit di informazione corretto da errori utilizzando solo i nove qubit di Ocelot.
Come funziona
Gli errori nel calcolo quantistico rientrano in due categorie: errori di bit-flip (simili a quelli nei sistemi di calcolo convenzionali) ed errori di phase-flip (tipici dei sistemi quantistici).
Secondo Shruti Puri, fisica presso l'Università di Yale e non coinvolta nel lavoro, il design ibrido cat-transmon consente agli ingegneri di creare un sistema in cui gli errori sono principalmente errori di phase-flip. Questo permette l'uso di algoritmi di correzione degli errori più semplici che richiedono meno qubit.
L'implementazione da parte di AWS dell'operazione C-NOT (fondamentale per la correzione degli errori) è particolarmente degna di nota. Il loro design garantisce che questa operazione non introduca errori di bit-flip in modo sproporzionato, consentendo al metodo semplificato di correzione degli errori di rimanere efficace attraverso più cicli.
Sfide nello sviluppo e direzione futura
AWS ha iniziato a lavorare su Ocelot intorno al 2021, affrontando sfide ingegneristiche significative. Una delle principali difficoltà consisteva nello sviluppare nuove tecniche per crescere il tantalio su chip di silicio con difetti atomici minimi.
Attualmente, Ocelot funziona principalmente come memoria quantistica piuttosto che come un sistema di calcolo completo. I prossimi passi nello sviluppo includeranno l'aggiunta di più qubit, la codifica di ulteriori informazioni e l'esecuzione di veri e propri calcoli quantistici.
La scalabilità rimane una sfida significativa, dalla connessione dei cablaggi necessari alla gestione del collegamento tra più chip. Gli esperti del settore prevedono che i computer quantistici pratici richiederanno alla fine migliaia o milioni di qubit.
Questo progetto rappresenta un cambiamento strategico per AWS. Mentre in precedenza si concentravano su qubit transmon convenzionali simili a quelli dei concorrenti, ora hanno dato priorità all'approccio dei cat qubit come principale sforzo ingegneristico per il futuro.
La startup francese Alice & Bob sta anche sviluppando una tecnologia di calcolo quantistico basata sui cat qubit.
