Amazon Web Services разработала свой первый чип для квантовых вычислений, названный Ocelot. Этот инновационный чип демонстрирует более эффективный подход к квантовой коррекции ошибок – одной из основных проблем при создании практичных квантовых компьютеров.
Архитектура Ocelot
Дизайн Ocelot включает девять кубитов на кремниевом чипе размером с квадратный сантиметр. Уникальность этой архитектуры заключается в гибридном подходе: пять из этих кубитов — это «кошачьи кубиты» (названы в честь мысленного эксперимента Шредингера), а оставшиеся четыре — это кубиты транзмона.
В этой схеме кошачьи кубиты хранят информацию, в то время как кубиты транзмона контролируют их. Это значительно отличается от дизайнов, использующих только кубиты транзмона, которые применяются другими крупными игроками в области квантовых вычислений.
Кошачьи кубиты состоят из полых структур из тантала, содержащих микроволновое излучение, интегрированных с кремниевым чипом. Как и все квантовые вычислительные устройства, Ocelot должен работать при температурах, близких к абсолютному нулю.
Решение проблемы коррекции ошибок
Квантовые компьютеры по своей природе подвержены ошибкам, и разработка эффективной коррекции ошибок имеет решающее значение для практических приложений. Традиционные подходы к квантовой коррекции ошибок требуют значительных аппаратных ресурсов — недавно Google потребовалось 105 кубитов для кодирования одного битa квантовой информации с коррекцией ошибок.
Ключевая инновация Ocelot заключается в более эффективном дизайне коррекции ошибок. По словам Оскара Пейнтера, главы квантового оборудования в AWS, их подход требует всего лишь примерно одной десятой числа кубитов на один информационный бит по сравнению с традиционными методами.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи AWS продемонстрировали эту эффективность, закодировав один бит информации с коррекцией ошибок, используя всего девять кубитов Ocelot.
Как это работает
Ошибки квантовых вычислений делятся на два типа: ошибки переворота бита (аналогичные тем, что встречаются в обычных вычислениях) и ошибки переворота фазы (уникальные для квантовых систем).
По словам Шрути Пури, физика из Йельского университета, не участвующей в работе, гибридный дизайн кошачьих кубитов и транзмонов позволяет инженерам создать систему, в которой ошибки в основном являются ошибками переворота фазы. Это позволяет использовать более простые алгоритмы коррекции ошибок, которые требуют меньшего числа кубитов.
Реализация операции C-NOT (ключевая для коррекции ошибок) в AWS особенно примечательна. Их дизайн гарантирует, что эта операция не вызывает чрезмерного числа ошибок переворота бита, что позволяет упрощенному подходу к коррекции ошибок оставаться эффективным на протяжении нескольких циклов.
Проблемы разработки и направления на будущее
AWS начала работу над Ocelot примерно в 2021 году, столкнувшись с серьёзными инженерными трудностями. Одним из основных препятствий стало создание новых методов выращивания тантала на кремниевых чипах с минимальными дефектами на атомном уровне.
В настоящее время Ocelot функционирует в основном как квантовая память, а не как полноценная вычислительная система. Следующие этапы разработки включают добавление большего числа кубитов, кодирование дополнительной информации и выполнение реальных квантовых вычислений.
Масштабирование остаётся серьёзной проблемой — от подключения необходимой проводки до объединения нескольких чипов. Эксперты отрасли прогнозируют, что практичные квантовые компьютеры в конечном итоге потребуют тысячи или миллионы кубитов.
Этот проект представляет собой стратегический поворот для AWS. Ранее компания сосредотачивалась на использовании обычных кубитов транзмона, аналогично конкурентам, однако теперь она сделала подход с кошачьими кубитами своим основным инженерным направлением на будущее.
Французский стартап Alice & Bob также разрабатывает технологии квантовых вычислений, основанные на кошачьих кубитах.
