Amazon Web Services ha annunciato Ocelot, il suo chip di calcolo quantistico di prima generazione. Sebbene il chip abbia solo capacità di elaborazione rudimentali, l’azienda afferma che si tratta di una dimostrazione di proof-of-concept, un passo avanti verso la creazione di una macchina più grande in grado di mantenere la promessa di applicazioni industriali rivoluzionarie, come simulazioni rapide e accurate di nuovi materiali per batterie.
“Questo è un primo prototipo che dimostra che questa architettura è scalabile ed efficiente a livello hardware”, afferma Oskar Painter, responsabile dell’hardware quantistico presso AWS, l’unità di cloud computing di Amazon. In particolare, l’azienda afferma che il suo approccio semplifica la correzione degli errori, una delle principali sfide tecniche nello sviluppo del calcolo quantistico.
Ocelot è costituito da nove bit quantistici, o qubit, su un chip di circa un centimetro quadrato che, come alcune forme di hardware quantistico, deve essere raffreddato criogenicamente a temperature prossime allo zero assoluto per funzionare. Cinque dei nove qubit sono un tipo di hardware che il settore chiama “cat qubit”, dal nome dell’esperimento mentale del XX secolo “Gatto di Schrödinger”, in cui un gatto invisibile all’interno di una scatola può essere considerato sia vivo che morto. Questa sovrapposizione di stati è un concetto fondamentale nell’informatica quantistica.
I cat qubit di AWS sono piccole strutture cave al tantalio che contengono radiazioni a microonde, accoppiate a un chip di silicio. I restanti quattro qubit sono transistor, ciascuno dei quali è un circuito elettrico costituito da materiale superconduttore. In questa architettura, AWS utilizza i qubit cat per archiviare le informazioni, mentre i qubit transmon monitorano tali informazioni. Ciò differenzia la sua tecnologia dai computer quantistici di Google e IBM, le cui parti computazionali sono tutte composte da transistor.
In particolare, i ricercatori di AWS hanno utilizzato Ocelot per implementare una forma più efficiente di correzione degli errori quantistici. Come tutti i computer, anche i computer quantistici commettono errori. Se non vengono corretti, questi errori si accumulano, impedendo alle macchine odierne di eseguire con precisione i lunghi algoritmi richiesti per le applicazioni utili. “L’unico modo per ottenere un computer quantistico veramente utile è implementare la correzione degli errori quantistici”, spiega Painter.
Sfortunatamente, gli algoritmi necessari per la correzione degli errori quantistici richiedono in genere grandi quantità di hardware. L’anno scorso, Google ha codificato un singolo bit di informazione corretto utilizzando 105 qubit.
La strategia di progettazione di Amazon richiede solo un decimo di quei qubit per bit di informazione, afferma Painter.
In uno studio pubblicato mercoledì su Nature, il team ha codificato un singolo bit di informazione, corretto per eventuali errori, nei nove qubit di Ocelot. In teoria, questo progetto hardware dovrebbe essere più facile da adattare a una macchina più grande rispetto a un progetto costituito esclusivamente da transmon, afferma Painter.
Questo progetto, che combina qubit cat e transmon, semplifica la correzione degli errori riducendo il numero di qubit necessari, afferma Shruti Puri, un fisico della Yale University non coinvolto nello studio. (Puri lavora part-time per un’altra azienda che sviluppa computer quantistici, ma ha parlato con il MIT Technology Review in veste accademica.)
“In pratica, è possibile scomporre tutti gli errori quantistici in due tipologie: inversioni di bit e inversioni di fase”, afferma Puri. I computer quantistici rappresentano le informazioni come numeri 1, 0 e probabilità, o sovrapposizioni, di entrambi. Un bit flip, che si verifica anche nell’informatica convenzionale, si verifica quando il computer codifica per errore un 1 al posto di uno 0, o viceversa. Nel caso dell’informatica quantistica, il bit flipping si verifica quando il computer codifica la probabilità di 0 come probabilità di 1, o viceversa. Uno sfasamento è un tipo di errore tipico dell’informatica quantistica, correlato alle proprietà ondulatorie del qubit.
Il design cat-transmon ha permesso ad Amazon di progettare il computer quantistico in modo che qualsiasi errore fosse dovuto principalmente a uno sfasamento. Ciò significava che l’azienda poteva utilizzare un algoritmo di correzione degli errori molto più semplice di quello di Google, che non richiedeva tanti qubit. “Il risparmio hardware deriva dal fatto che è necessario correggere principalmente un tipo di bug”, spiega Puri. “L’altro errore accade molto raramente.”
Il risparmio hardware deriva anche dall’attenta implementazione da parte di AWS di un’operazione nota come porta C-NOT, che viene eseguita durante la correzione degli errori. I ricercatori di Amazon hanno dimostrato che l’operazione C-NOT non introduce errori di inversione di bit sproporzionatamente grandi. Ciò significava che dopo ogni ciclo di correzione degli errori, il computer quantistico continuava a commettere prevalentemente errori di sfasamento, consentendo di continuare a utilizzare il semplice ed efficiente codice di correzione degli errori nell’hardware.
Painter afferma che AWS ha iniziato a lavorare sui progetti per Ocelot già nel 2021. Il suo sviluppo è stato un “problema full stack”. Per creare qubit ad alte prestazioni che potessero in seguito correggere gli errori, i ricercatori hanno dovuto escogitare un nuovo modo per far crescere il tantalio (il materiale di cui sono fatti i loro qubit cat) su un chip di silicio con il minor numero possibile di difetti su scala atomica.
Puri sottolinea che si tratta di un progresso significativo: AWS può ora produrre e controllare più qubit cat in un unico dispositivo. “Qualsiasi lavoro che miri ad espandere nuovi tipi di qubit, secondo me, è interessante”, afferma. Tuttavia, ci sono ancora anni di sviluppo davanti a noi. Altri esperti prevedono che i computer quantistici avranno bisogno di migliaia, se non milioni, di qubit per svolgere un compito utile. “Il lavoro di Amazon è un primo passo”, afferma Puri.
Aggiunge che i ricercatori dovranno ridurre ulteriormente la frazione di errori di inversione di bit aumentando il numero di qubit.
Tuttavia, questo annuncio segna la strada che Amazon intende seguire. “Questa è un’architettura in cui crediamo”, afferma Painter. In precedenza, la strategia principale dell’azienda era quella di investire in qubit transmon convenzionali, come quelli di Google e IBM, trattando il progetto del qubit cat come un “progetto parallelo segreto”. Ora hanno deciso di dare la priorità ai qubit cat. “Eravamo davvero convinti che questo dovesse essere il nostro principale sforzo ingegneristico. Faremo ancora qualche esplorazione, ma questa è la direzione in cui ci stiamo muovendo”. (Anche la startup francese Alice & Bob sta costruendo un computer quantistico fatto di qubit di gatto.)
Nella sua fase attuale, Ocelot è fondamentalmente una dimostrazione di memoria quantistica, afferma Painter. Il passo successivo consiste nell’aggiungere più qubit al chip, codificare più informazioni ed eseguire calcoli veri e propri. Ma le sfide da affrontare sono numerose, dal collegamento di tutti i cavi all’interconnessione di più chip. “L’arrampicata non è una cosa da poco”, conclude.
( fonte: MIT Technology Review)
