Η Atom Computing ανακοινώνει το ρεκόρ κβαντικού υπολογιστή 1.225 qubit

Τον Ιανουάριο του 2022, η Atom Computing έλαβε χρηματοδότηση 60 εκατομμυρίων δολαρίων για τη Σειρά Β. Ο δηλωμένος στόχος της εταιρείας από τα κεφάλαια ήταν να κατασκευάσει μια μεγαλύτερη, δεύτερης γενιάς οπτικά παγιδευμένο ουδέτερο άτομο, κβαντικών υπολογιστών. Σήμερα, η Atom Computing πέτυχε αυτόν τον στόχο ανακοινώνοντας την κυκλοφορία το 2024 ενός κβαντικού υπολογιστή ουδέτερου ατόμου δεύτερης γενιάς εξοπλισμένου με 1.225 qubits.

Είχα την ευκαιρία να μιλήσω με τον Rob Hays, Πρόεδρο και Διευθύνοντα Σύμβουλο της Atom Computing, σχετικά με τη νέα μηχανή και τις προσπάθειες που γίνονται για την ανάπτυξή της. Αυτή η ανακοίνωση είναι σημαντική για ολόκληρη την κβαντική βιομηχανία, καθώς η Atom Computing θα είναι η πρώτη εταιρεία που θα λανσάρει έναν κβαντικό υπολογιστή καθολικής πύλης με πάνω από χίλια qubits. Αυτό γίνεται ακόμη πιο σημαντικό αφού η εταιρεία είναι μια σχετικά νέα startup.

Οι απαρχές των ατομικών υπολογιστών

Η Atom Computing ιδρύθηκε πριν από πέντε χρόνια από τον Benjamin Bloom, Ph.D. στη φυσική από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, και ο Jonathan King, Ph.D. στη χημική μηχανική από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. Αφού εξασφάλισαν χρηματοδότηση 5 εκατομμυρίων δολαρίων, ο Bloom και ο King κατασκεύασαν τον πρώτο κβαντικό υπολογιστή qubit πυρηνικής περιστροφής στον κόσμο, που δημιουργήθηκε από οπτικά παγιδευμένα ουδέτερα άτομα. Το πρώτο πρωτότυπο του Atom Computer, που ονομάζεται Phoenix, χρησιμοποίησε μια διάταξη 10×10 ατόμων στροντίου-87 για να δημιουργήσει 100 qubits.

Η μηχανή Phoenix αναπτύχθηκε στα κεντρικά γραφεία της Atom Computing στο Berkeley. Από την έναρξή του, οι επιστήμονες της Atom Computing έχουν χρησιμοποιήσει το Phoenix για να βελτιώσουν τις δυνατότητες του υλικού και του λογισμικού ουδέτερου ατόμου, μεγάλο μέρος του οποίου χρησιμοποιείται στον υπολογιστή τελευταίας γενιάς της εταιρείας.

Η επόμενης γενιάς μηχανή 1.225 qubit της Atom Computing αναπτύχθηκε στις νεότερες εμπορικές εγκαταστάσεις της στο Boulder του Κολοράντο. Ο Patrick Moorhead, ιδρυτής και επικεφαλής αναλυτής της Moor Insights & Strategy, και εγώ είχαμε την ευκαιρία να περιηγηθούμε και να περιηγηθούμε στις εγκαταστάσεις στα τέλη του περασμένου έτους κατά τη διάρκεια των εγκαινίων της.

Νωρίτερα φέτος, η Atom Computing επιλέχθηκε από την Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) για να συμμετάσχει σε ένα ειδικό πρόγραμμα σχεδιασμένο για την εύρεση νέων μεθόδων για την αύξηση των qubits και την ανάπτυξη ενός ευρύτερου συνόλου αλγορίθμων διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων που είναι απαραίτητοι για την ανοχή σφαλμάτων. Εκτός από τη χρηματοδότηση, η συνεργασία DARPA έδωσε στην Atom Computing πρόσβαση σε εμπειρογνώμονες από το Υπουργείο Άμυνας, τον ακαδημαϊκό χώρο και τα εθνικά εργαστήρια.

Προκλήσεις μεγάλης κλίμακας

Ρώτησα τον Rob Hays για τις κύριες προκλήσεις που αντιμετώπισαν οι επιστήμονες της Atom Computing κατά την κατασκευή της νέας μηχανής. Δεν εξεπλάγην όταν είπε ότι η αύξηση του αριθμού των ατόμων και η δημιουργία 1.225 μεμονωμένων παγίδων ήταν μια πρόκληση.

«Χρειάζεστε τη σωστή ποσότητα ισχύος λέιζερ για να κρατάτε τα άτομα στη θέση τους, ενώ εξακολουθείτε να μπορείτε να χειρίζεστε τις καταστάσεις τους διατηρώντας παράλληλα καλή πιστότητα», είπε. «Ο συνδυασμός του να κάνεις και τα τρία πράγματα ταυτόχρονα και να τα κάνεις σωστά είναι η πραγματική πρόκληση».

Ο αριθμός των qubits καθορίζει την ισχύ του υπολογιστή και την πολυπλοκότητα του αλγορίθμου που μπορεί να χειριστεί. Ωστόσο, η κλιμάκωση είναι δύσκολη επειδή τα qubit ουδέτερου ατόμου, όπως όλα τα qubits, μπορούν να χάσουν την κβαντική τους κατάσταση λόγω διαφόρων παραγόντων, όπως ανεπιθύμητο φως λέιζερ ή μαγνητικά πεδία. Ακόμη και η αύξηση του αριθμού των qubits μπορεί να επιδεινώσει αυτά τα προβλήματα.

Ο Hays πρόσθεσε ότι η ομάδα ανάπτυξης έλυσε επίσης ένα μελλοντικό ενεργειακό πρόβλημα ενώ εργαζόταν στο τρέχον μηχάνημα. Είπε ότι οι επιστήμονες πέτυχαν επαρκή ενεργειακή απόδοση για να παρέχουν αρκετή ισχύ και έλεγχο ακριβείας για να επεκτείνουν το σύστημα πέρα ​​από αυτό που χρειαζόταν για το νέο μηχάνημα.

Ανοχή σε σφάλματα

Ο μακροπρόθεσμος στόχος των κβαντικών υπολογιστών είναι η κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή με ανοχή σε σφάλματα. Το πρώτο μηχάνημα Phoenix των 100 qubit της Atom Computing και η πλατφόρμα 1.225 qubit της επόμενης γενιάς αποτελούν σημαντικά ορόσημα στον οδικό χάρτη της για την κατασκευή μιας μηχανής βασισμένης σε πύλες ανεκτικές σε σφάλματα. Μέχρι στιγμής, η εταιρεία συνεχίζει να επιτυγχάνει τον στόχο της να αυξάνει τα qubits κατά τάξη μεγέθους με κάθε γενιά.

Πολλές τεχνικές πρόοδοι έχουν ήδη γίνει από την κβαντική επιστημονική κοινότητα. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά γνωστά και άγνωστα προβλήματα μηχανικής και φυσικής που πρέπει να επιλυθούν προτού η κοινότητα κατασκευάσει έναν κβαντικό υπολογιστή με ανοχή σε σφάλματα, ικανό να εκτελεί λειτουργίες κυκλώματος εκατομμυρίων ανά δευτερόλεπτο.

Η Atom Computing έχει ήδη λύσει πολλά δύσκολα τεχνικά προβλήματα απαραίτητα για την ανοχή σφαλμάτων. Κατέχει το ρεκόρ για χρόνο συνοχής 40 δευτερολέπτων που επιτρέπει την εκτέλεση μεγαλύτερων και πιο περίπλοκων αλγορίθμων. Ήταν επίσης η πρώτη κβαντική εταιρεία ουδέτερου ατόμου που ανέπτυξε τη μέτρηση στο μέσο κύκλωμα, μια σημαντική λειτουργία απαραίτητη για πολλές κβαντικές λειτουργίες, όπως η διόρθωση σφαλμάτων και οι λειτουργίες λογικής υπό όρους. Η Atom Computing έχει ήδη αποδείξει την ικανότητα μέτρησης της κβαντικής κατάστασης συγκεκριμένων qubits κατά τον υπολογισμό και την ανίχνευση ορισμένων τύπων σφαλμάτων χωρίς να διακόπτει άλλα qubits.

Η Atom Computing αναμένεται να δημοσιεύσει συγκεκριμένες τεχνικές λεπτομέρειες για το νέο μηχάνημα καθώς πλησιάζει η ημερομηνία κυκλοφορίας. Θα είναι μια νέα και ενδιαφέρουσα εμπειρία να βλέπουμε δεδομένα αναφοράς για έναν κβαντικό υπολογιστή 1.225 qubit.

Ανταλλαγή τύπων ατόμων

Σαφώς, η Atom Computing χρειάστηκε να κάνει πολλές προσαρμογές και βελτιώσεις στα υπάρχοντα χαρακτηριστικά, καθώς και να εισαγάγει τεχνικές καινοτομίες, για να πάει από μια μηχανή εκατοντάδων qubit σε μια μηχανή με περισσότερα από 1.200 qubits. Θα καλύψω αυτές τις τεχνικές αλλαγές μόλις είναι διαθέσιμα τα δεδομένα και μπορώ να κάνω μια πιο ολοκληρωμένη ανασκόπηση του τι έγινε και των αποτελεσμάτων της επακόλουθης συγκριτικής αξιολόγησης.

Ωστόσο, υπάρχει μια σημαντική αλλαγή που θέλω να συζητήσω εδώ. Η πρώτη μηχανή Phoenix των 100 qubit κατασκευάστηκε σε μια πλατφόρμα με άτομα στροντίου-87 για τα qubits της. Ο νέος κβαντικός υπολογιστής 1.225 qubit χρησιμοποιεί άτομα υττερβίου-171 για να δημιουργήσει τα qubits του. Χαίρομαι που βλέπω την αλλαγή γιατί υπάρχουν αρκετοί πολύ ισχυροί τεχνικοί λόγοι για τους οποίους το Atom Computing πήγε με το υττέρβιο-171. Πράγματι, μια πρόσφατη μελέτη κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το υττέρβιο-171 θα μπορούσε να είναι το καλύτερο υλικό για qubits.

Ο κύριος λόγος για αυτήν την αλλαγή είναι ότι το υττέρβιο-171 έχει πυρηνικό σπιν 1/2 σε σύγκριση με το ισότοπο στροντίου-87, το οποίο έχει πιο περίπλοκο σπιν 9/2. Σε απλά αγγλικά, αυτό σημαίνει ότι το υττέρβιο έχει μόνο δύο προσβάσιμα κβαντικά επίπεδα στη χαμηλότερη κατάστασή του. Η ύπαρξη μόνο δύο επιπέδων κάνει τις καταστάσεις του υττερβίου πιο εύκολο να χειριστούν και να μετρηθούν από τη σύνθετη δομή του στροντίου. Η ύπαρξη περισσότερων επιπέδων σε μια περιστροφή 9/2 απαιτεί περισσότερα πεδία ελέγχου, τα οποία μπορούν επίσης να δημιουργήσουν επιπλοκές που κάνουν ένα σύστημα που βασίζεται σε στρόντιο πιο επιρρεπές σε σφάλματα.

Κάλυμμα

Το πρωτότυπο Phoenix των 100 qubit της Atom Computing και η επόμενη γενιά της πλατφόρμας 1.225 qubit είναι σημαντικά βήματα στον οδικό χάρτη προς ένα μηχάνημα με ανοχή σε σφάλματα εκατομμυρίων qubit που βασίζεται σε πύλη.

Αν και η ανοχή σφαλμάτων παραμένει ένας μακρινός στόχος, ορισμένα ερευνητικά σήματα και εμπορικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το κβαντικό είναι στο κατώφλι να γίνει πρακτικό για εργασίες υπολογιστών πραγματικού κόσμου. Ανάλογα με την απόδοση του επεξεργαστή επόμενης γενιάς της Atom Computing, τα 1.225 qubits θα πρέπει να παράγουν κάποια πολύ χρήσιμη και ενδιαφέρουσα έρευνα καθ’ οδόν προς αυτόν τον στόχο.