Amazon dołącza do czołowych graczy w dziedzinie technologii kwantowej, prezentując Ocelot – swój pierwszy procesor kwantowy. Jest to eksperymentalny układ, który wykorzystuje innowacyjne podejście do korekcji błędów, bazujące na tzw. „kocich kubitach” (cat qubits). Ta technologia może zrewolucjonizować rozwój komputerów kwantowych, które od lat borykają się z fundamentalnym problemem stabilności obliczeń.

Naukowcy z Amazon Web Services (AWS) oraz California Institute of Technology twierdzą, że Ocelot może drastycznie zmniejszyć liczbę wymaganych fizycznych kubitów do poprawnej korekcji błędów – nawet o 90% w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami. To może znacząco przybliżyć moment, w którym komputery kwantowe staną się realnym narzędziem w zastosowaniach komercyjnych.

Rewolucja w obliczeniach – czym są komputery kwantowe?

Komputery kwantowe różnią się od klasycznych wykorzystaniem praw mechaniki kwantowej do wykonywania obliczeń. W tradycyjnym komputerze dane przechowywane są w bitach (0 lub 1). W komputerze kwantowym stosuje się kubit, który może być jednocześnie w stanie 0 i 1 dzięki zjawisku superpozycji. Dzięki temu komputery kwantowe mogą wykonywać równocześnie ogromną liczbę operacji, co potencjalnie pozwala na rozwiązanie problemów niemożliwych do obliczenia przez tradycyjne maszyny.

Największy problem: błędy obliczeniowe

Komputery kwantowe są niezwykle wrażliwe na czynniki zewnętrzne. Każde drganie, zmiana temperatury czy zakłócenie elektromagnetyczne może wpłynąć na stan kubitów, prowadząc do błędów. Tradycyjne metody korekcji błędów wymagają tysięcy fizycznych kubitów, aby stworzyć jeden odporny logiczny kubit, co sprawia, że dzisiejsze systemy kwantowe są ogromnie zasobożerne.

Amazon proponuje inne podejście, które może znacznie zmniejszyć zapotrzebowanie na nadmiarowe kubity – wykorzystanie bosonicznych kubitów i kocich kubitów.

Czym są „kocie kubity”?

To specjalne kubity inspirowane eksperymentem myślowym Schrödingera, w którym kot w pudełku może być jednocześnie żywy i martwy. W świecie komputerów kwantowych oznacza to, że kubity mogą znajdować się w superpozycji stanów klasycznych, co sprawia, że są mniej podatne na błędy bit-flip.

Jak działa bosoniczna korekcja błędów?

W tradycyjnych komputerach kwantowych każdy kubit może przyjmować tylko dwa stany (0 i 1). Bosoniczne kubity wykorzystują więcej stanów oscylacji elektromagnetycznych, co pozwala na skuteczniejsze korygowanie błędów bez konieczności duplikowania fizycznych kubitów.

Budowa procesora Ocelot

Układ Ocelot składa się z 9 kubitów, z czego 5 to „kocie kubity”, które przechowują dane, a 4 to transmony, które pomagają w korekcji błędów. To hybrydowe podejście odróżnia Ocelota od komputerów kwantowych Google czy IBM, które stosują wyłącznie transmonowe kubity.

Dzięki specjalnym bramkom C-NOT, Amazon zmniejszył prawdopodobieństwo występowania błędów bit-flip, co pozwala na skuteczniejsze zarządzanie błędami phase-flip, które są łatwiejsze do korekcji.

Rodzaje błędów w komputerach kwantowych

• Bit-flip – błąd polegający na zamianie 0 na 1 lub odwrotnie.
• Phase-flip – zakłócenie fali kwantowej, które zmienia sposób interferencji kubitów.
• Depolaryzacja – kubit traci swoją kwantową naturę i staje się bezużyteczny w obliczeniach.

Co wyróżnia Ocelota?

1. Wykorzystanie „kocich kubitów”

Podstawową innowacją w Ocelocie jest zastosowanie bosonicznej korekcji błędów, w tym kocich kubitów. To alternatywa dla tradycyjnych metod korekcji błędów, które wymagają dużej nadmiarowości fizycznych kubitów, aby osiągnąć stabilność obliczeń.

Jak działa klasyczna korekcja błędów w komputerach kwantowych?
Każdy logiczny kubit (odpowiednik bitu w klasycznych komputerach) wymaga wielu fizycznych kubitów, aby skorygować błędy. Dotychczasowe podejścia, takie jak kod powierzchniowy, wymagają tysięcy fizycznych kubitów na jeden logiczny. To sprawia, że budowa dużych komputerów kwantowych jest bardzo skomplikowana i kosztowna.

Jak to robi Ocelot?

Amazon wykorzystuje bosoniczne kubity, które przechowują informacje w oscylacjach elektromagnetycznych, a nie w pojedynczych kubitach. Wykorzystanie „kocich kubitów” pozwala drastycznie zmniejszyć liczbę wymaganych fizycznych kubitów, ponieważ ich konstrukcja naturalnie redukuje część błędów.

„Kocie kubity” (ang. cat qubits) to rozwiązanie inspirowane eksperymentem Schrödingera, w którym kot może być jednocześnie martwy i żywy. W kontekście komputerów kwantowych oznacza to, że kubity mogą przyjmować superpozycję stanów klasycznych, co zwiększa ich odporność na błędy.

2. Mniejsze wymagania sprzętowe do korekcji błędów

Ocelot osiąga dziesięciokrotną redukcję liczby wymaganych kubitów do korekcji błędów w porównaniu do podejścia Google. To duży krok naprzód, ponieważ tradycyjne systemy wymagają ogromnej nadmiarowości kubitów, aby osiągnąć stabilność.

Dzięki zastosowaniu specjalnej konstrukcji bramek kwantowych (C-NOT), Amazon zminimalizował ilość błędów typu bit-flip (zamiana 0 na 1 lub odwrotnie). Ocelot koncentruje się głównie na błędach phase-flip, które są łatwiejsze do skorygowania, co znacząco zmniejsza obciążenie sprzętowe.

3. Skalowalność i przyszłość Ocelota

Obecny układ Ocelota to prototyp, ale jego architektura ma potencjał do dalszego rozwoju. Ocelot składa się z 9 kubitów, w tym 5 „kocich” kubitów, które przechowują informacje oraz 4 transmonów, które pomagają w korekcji błędów. To oznacza, że Amazon stosuje hybrydowe podejście, łącząc dwie technologie dla uzyskania optymalnej wydajności.

Ocelot ma być podstawą dla przyszłych projektów AWS w dziedzinie komputerów kwantowych. Amazon planuje dalszy rozwój tej architektury, zwiększając liczbę kubitów i obniżając współczynnik błędów, co może znacząco przyspieszyć powstanie pierwszego praktycznego komputera kwantowego.

Kiedy komputery kwantowe staną się rzeczywistością?

Eksperci są zgodni, że pierwsze w pełni funkcjonalne komputery kwantowe mogą pojawić się w ciągu dekady. Jeszcze kilka lat temu prognozy mówiły o 20–30 latach, ale nowe podejścia do korekcji błędów znacząco przyspieszają ten proces.

Amazon, Google i Microsoft koncentrują się obecnie na poprawie stabilności i niezawodności systemów kwantowych, zamiast wyłącznie zwiększać liczbę kubitów.

Amazon, prezentując Ocelota, wprowadza nową jakość w korekcji błędów komputerów kwantowych. Dzięki zastosowaniu „kocich kubitów”, procesor ten jest w stanie znacząco zmniejszyć liczbę wymaganych zasobów do poprawnego działania. Jest to ważny krok w kierunku budowy praktycznych i skalowalnych komputerów kwantowych, które w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie w takich dziedzinach jak logistyka, chemia, farmacja czy rozwój sztucznej inteligencji.

Chociaż Ocelot to dopiero początek, to pokazuje, że kwantowa przyszłość jest coraz bliżej – i być może, szybciej niż nam się wydawało.

źródło: amazon.science, bbc.com, technologyreview.com