آمازون از Ocelot، اولین تراشه محاسبات کوانتومی خود، رونمایی کرد_بام وطن

Ocelot از “cat کیوبیت‌ها” منفعت گیری میکند که خطاهای خاصی را سرکوب می‌کنند و تعداد کیوبیت‌های فیزیکی مورد نیاز برای اصلاح اشتباه را تا ۹۰٪ افت میدهند. تمرکز این تراشه بر تصحیح خطای کوانتومی، یکی از مانع ها مهم در رایانه‌های کوانتومی، است. با گنجاندن کیوبیت‌های مقاوم در برابر اشتباه مستقیماً در سخت‌افزار، Ocelot رویکردی کارآمدتر از نظر منبع های در قیاس با راه حلهای مرسوم اراعه میدهد. معماری تراشه که برای ذخیره اطلاعات کوانتومی تست شده است، شامل کیوبیت‌های داده، مدارهای بافر و کیوبیت‌های تصحیح خطاست. در حالی که تا این مدت یک نمونه اولیه است، AWS معتقد است که Ocelot میتواند هزینه‌های اصلاح اشتباه را تا ۹۰٪ افت دهد و زمانبندی برای رایانه کوانتومی کاربردی را تا پنج سال تسریع کند.

شرح دستاورد:

آAmazon Web Services(AWS) از چیپ کوانتومی نسل اول خود به نام Ocelot رونمایی کرده است که یک قدم مهم در گسترش کامپیوترهای کوانتومی مقیاس‌پذیر به حساب می‌آید. Ocelot با منفعت گیری از مدارهای کوانتومی ابررسانا، یک پیاده‌سازی نوآورانه از تصحیح خطای کوانتومی را به کار می‌برد که هم از نظر منبع های کارآمد بوده و هم مقیاس‌پذیر است. این چیپ به دستاوردهای کلیدی در عرصه بهبود تصحیح خطای کوانتومی دست یافته است که می‌تواند فاصله‌ بین حالت جاری و کامپیوترهای کوانتومی عملی را افت دهد.

یکی از دستاوردهای مهم Ocelot معماری مقیاس‌پذیر آن برای تصحیح خطای بوزونیک است. این رویکرد از راه حلهای سنتی کیوبیت برای افت هزینه اصلاح اشتباه پیشی می‌گیرد و به افت مقدار منبع های مورد نیاز برای اصلاح اشتباه پشتیبانی می‌کند. این چیپ این چنین اولین پیاده‌سازی یک گیت بایاس شده‌ی نویزی (noise-biased gate) را معارفه می‌کند که جزء الزامی برای تشکیل تصحیح خطای کارآمد است و امکان ساخت کامپیوترهای کوانتومی مقیاس‌پذیر و تجاری را فراهم می‌کند. علاوه بر این، Ocelot کارکرد گسترش یافتهای در کیوبیت‌های ابررسانا دارد، با زمان‌های فلیپ بیت نزدیک به یک ثانیه و زمان‌های فلیپ فاز به اندازه ۲۰ میکروثانیه که مرزهای حاضر در کیوبیت‌های ابررسانا را به چالش می‌کشد.

مقصد Ocelot رفع کردن یکی از چالش‌های مهم در دنیای کامپیوترهای کوانتومی است: پر کردن شکاف کارکرد کوانتومی. در حالی که کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل انجام محاسبات سریعتر و حتی به طور نمایی سریعتر از سیستم‌های کلاسیک را دارند، حساسیت زیاد آن‌ها به نویز محدود می‌کند تعداد گیت‌های کوانتومی که می‌توانند به طور قابل مطمعن انجام بدهند. تصحیح خطای کوانتومی که برای اولین بار در دهه ۱۹۹۰ نظر شد، راه‌حلی برای این مشکل اراعه می‌دهد. این روش با توزیع اطلاعات در بین چندین کیوبیت فیزیکی، امکان تشخیص و اصلاح اشتباه را فراهم می‌آورد. با این حال، این تکنیک طبق معمولً نیاز به تعداد بسیاری کیوبیت فیزیکی برای هر کیوبیت منطقی دارد که علتمی‌شود تصحیح خطای کوانتومی به منبع های به شدت بسیاری نیاز داشته باشد.

راه حلهای سنتی تصحیح خطای کوانتومی همانند کد سطحی، به هزاران کیوبیت فیزیکی برای هر کیوبیت منطقی نیاز دارند که آن‌ها را برای ساخت سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر تجاری غیرعملی می‌سازد. یکی از چالش‌های مهم این است که سیستم‌های کوانتومی هم از خطاهای فلیپ بیت و هم از خطاهای فلیپ فاز رنج می‌برند. اصلاح این خطاها نیاز به لایه‌های اضافی از افزونگی دارد که منبع های مورد نیاز تصحیح خطای کوانتومی را افزایش می‌دهد.

Ocelot از رویکردی نوآورانه مبتنی بر کیوبیت‌های گربه‌ای منفعت گیری می‌کند که نوعی کیوبیت بوزونیک می باشند. برخلاف کیوبیت‌های سنتی که در دو حالت قرار دارند، کیوبیت‌های گربه‌ای از برهم‌نهی کوانتومی با دامنه و فاز اشکار برای کدگذاری اطلاعات کیوبیت منفعت گیری می‌کنند، شبیه به نوسانگرهای هارمونیکی که در سیستم‌های کلاسیکی همانند فرکانس‌های رادیویی به کار می‌روال. این کیوبیت‌های گربه‌ای از انرژی چندین بوزون (همانند فوتون‌ها) برای نمایش حالات کوانتومی منفعت گیری می‌کنند که آن‌ها را در برابر خطاهای فلیپ بیت مقاوم‌تر می‌سازد. با افزایش تعداد فوتون‌ها در سیستم، خطاهای فلیپ بیت به طور نمایی افت می‌یابند، که نیاز به تعداد کیوبیت‌های زیاد را افت می‌دهد.

طراحی Ocelot این کیوبیت‌های گربه‌ای را در یک معماری مقیاس‌پذیر ترکیب می‌کند. در این طراحی از یک کد تکرار (repetition code) برای اصلاح خطای فلیپ فاز منفعت گیری می‌شود، همراه با گیت‌های C-NOT بایاس شده نویزی (noise-biased CNOT gates) که به تشخیص و تصحیح خطاهای فلیپ فاز پشتیبانی می‌کنند و در عین حال از محافظت در برابر فلیپ بیت را نگه داری می‌کنند. کیوبیت منطقی در Ocelot از پنج کیوبیت داده گربه‌ای (cat data qubits) راه اندازی شده است که هرکدام از آن‌ها از یک نوسانگر برای ذخیره اطلاعات کوانتومی منفعت گیری می‌کنند و با کیوبیت‌های کمکی ترانسمون برای تشخیص خطای فلیپ فاز و مدارهای بافر برای پایدارسازی حالات کیوبیت‌های گربه‌ای جفت خواهد شد. مدارهای بافر نقش حیاتی در افت نمایی خطاهای فلیپ بیت ایفا می‌کنند، در حالی که “کد تکرار” پشتیبانی می‌کند تا خطاهای فلیپ فاز تشخیص داده و اصلاح شوند.

نتایج آزمایش نشان خواهند داد که رویکرد اصلاح خطای Ocelot کارکرد کیوبیت منطقی را به طور چشمگیری بهبود می‌بخشد. هنگامی که فاصله کد تکرار از ۳ به ۵ افزایش یافت، نرخ خطای فلیپ فاز منطقی به طور قابل توجهی افت یافت. در کد فاصله-۵، نرخ کلی خطای منطقی به ۱.۶۵٪ در هر چرخه رسید که کمتر از نرخ خطای کد فاصله-۳ می بود، حتی با نیاز به تعداد کمتری کیوبیت. این کارآیی که از طریق گیت C-NOT بایاس شده نویزی و یک چرخه تصحیح خطای به دقت بهینه‌شده حاصل می‌شود، مشخص می کند که Ocelot می‌تواند از تعداد کیوبیت‌های فیزیکی کمتری نسبت به راه حلهای سنتی منفعت گیری کند و در عین حال سطح بالایی از تصحیح اشتباه را نگه داری کند.

رویکرد AWS در برتری قرار دادن افت نرخ اشتباه پیش از افزایش تعداد کیوبیت‌ها، با دیگر کوششها در کامپیوترهای کوانتومی که بر روی افزایش تعداد کیوبیت‌ها بدون تصحیح اشتباه تمرکز دارند، تفاوت دارد. این استراتژی حیاتی است چون افزودن کیوبیت‌های زیاد تر بدون اصلاح اشتباه نمی‌تواند قوت محاسباتی بیشتری تشکیل کند و امکان پذیر تبدیل خطاهای محاسباتی زیاد تر شود.

اگرچه Ocelot تا این مدت در مرحله نمونه اولیه است، آزمایش پیروزی‌آمیز آن در عرصه تصحیح اشتباه نویدبخش گامی امیدوارکننده به سوی کامپیوترهای کوانتومی عملی است. AWS تصمیم دارد این فناوری را در سال‌های آینده بهبود بخشیده و مقیاس آن را گسترش دهد تا در نهایت سیستم‌های کوانتومی بسازد که قادر به حل مسائلی باشند که هم‌اکنون از دسترس کامپیوترهای کلاسیک خارج می باشند. با تحقیق و گسترش مداوم، معماری Ocelot می‌تواند نیاز به منبع های برای کامپیوترهای کوانتومی را به طور قابل توجهی افت دهد و مسیر را برای کامپیوترهای کوانتومی تجاری هموارتر کند.