Denominato Ocelot, è progettato per correggere gli errori con un minor overhead hardware.
Amazon Web Services ha annunciato oggi Ocelot, il suo chip di calcolo quantistico di prima generazione. Sebbene il chip abbia solo una capacità di calcolo rudimentale, l’azienda afferma che si tratta di una dimostrazione di principio, un passo avanti verso la creazione di una macchina più grande in grado di fornire le applicazioni killer promesse dal settore, come le simulazioni veloci e accurate di nuovi materiali per batterie.
“Si tratta di un primo prototipo che dimostra che questa architettura è scalabile ed efficiente dal punto di vista hardware”, afferma Oskar Painter, responsabile dell’hardware quantistico di AWS, l’unità di cloud computing di Amazon. In particolare, l’azienda afferma che il suo approccio semplifica l’esecuzione della correzione degli errori, una sfida tecnica fondamentale nello sviluppo dell’informatica quantistica.
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 fino a raggiungere lo zero assoluto per poter funzionare. Cinque dei nove qubit sono un tipo di hardware che il campo chiama “qubit cat”, dal nome del gatto di Schrödinger, il famoso esperimento di pensiero del XX secolo in cui un gatto invisibile in una scatola può essere considerato sia morto che vivo. Questa sovrapposizione di stati è un concetto chiave dell’informatica quantistica.
I cat qubit che AWS ha realizzato sono minuscole strutture cave di tantalio che contengono radiazioni a microonde, collegate a un chip di silicio. Gli altri quattro qubit sono transmoni, ognuno dei quali è un circuito elettrico realizzato in materiale superconduttore. In questa architettura, AWS utilizza i qubit cat per memorizzare le informazioni, mentre i qubit transmon monitorano le informazioni contenute nei qubit cat. Questo distingue la sua tecnologia dai computer quantistici di Google e IBM, le cui parti computazionali sono tutte transmon.
In particolare, i ricercatori di AWS hanno utilizzato Ocelot per implementare una forma più efficiente di correzione degli errori quantistici. Come ogni computer, anche quelli quantistici commettono errori. Senza correzione, questi errori si sommano, con il risultato che le macchine attuali non possono eseguire con precisione i lunghi algoritmi necessari per le applicazioni utili. “L’unico modo per ottenere un computer quantistico utile è implementare la correzione degli errori quantistici”, spiega Painter.
Purtroppo, gli algoritmi necessari per la correzione degli errori quantistici hanno di solito requisiti hardware molto elevati. L’anno scorso Google ha codificato un singolo bit di informazioni quantistiche con correzione degli errori utilizzando 105 qubit.
La strategia di progettazione di Amazon richiede solo un decimo del numero di qubit per bit di informazione, spiega Painter. Nel lavoro pubblicato su Nature mercoledì, il team ha codificato un singolo bit di informazione a correzione di errore nei nove qubit di Ocelot. In teoria, questo progetto hardware dovrebbe essere più facile da scalare verso una macchina più grande rispetto a un progetto fatto solo di transmoni, dice Painter.
Secondo Shruti Puri, fisico dell’Università di Yale che non ha partecipato al lavoro, questo progetto che combina qubit cat e transmon rende più semplice la correzione degli errori, riducendo il numero di qubit necessari. (Puri lavora part-time per un’altra azienda che sviluppa computer quantistici, ma ha parlato con MIT Technology Review in qualità di accademico).
“Fondamentalmente, è possibile scomporre tutti gli errori quantistici in due tipi: i salti di bit e i salti di fase”, spiega Puri. I computer quantistici rappresentano le informazioni come 1, 0 e probabilità, o sovrapposizioni, di entrambi. Un bit flip, che si verifica anche nell’informatica convenzionale, avviene quando il computer codifica erroneamente un 1 che dovrebbe essere uno 0, o viceversa. Nel caso dell’informatica quantistica, il bit flip si verifica quando il computer codifica la probabilità di uno 0 come probabilità di un 1, o viceversa. Il salto di fase è un tipo di errore esclusivo dell’informatica quantistica, legato alle proprietà ondulatorie del qubit.
Il design del cat-transmon ha permesso ad Amazon di progettare il computer quantistico in modo che gli errori fossero prevalentemente errori di sfasamento. Ciò significa che l’azienda ha potuto utilizzare un algoritmo di correzione degli errori molto più semplice di quello di Google, che non richiedeva un numero così elevato di qubit. “Il risparmio in termini di hardware deriva dal fatto che è necessario correggere principalmente un tipo di errore”, spiega Puri. “L’altro errore si verifica molto raramente”.
I risparmi hardware derivano anche dall’attenta implementazione da parte di AWS di un’operazione nota come gate C-NOT, che viene eseguita durante la correzione degli errori. I ricercatori di Amazon hanno dimostrato che l’operazione C-NOT non introduceva in modo sproporzionato errori di bit-flip. Ciò significa che dopo ogni ciclo di correzione degli errori, il computer quantistico commetteva ancora prevalentemente errori di sfasamento, per cui il codice di correzione degli errori, semplice ed efficiente dal punto di vista hardware, poteva continuare a essere utilizzato.
Secondo Painter, AWS ha iniziato a lavorare al progetto di Ocelot già nel 2021. Il suo sviluppo è stato un “problema full-stack”. Per creare qubit ad alte prestazioni in grado di eseguire la correzione degli errori, i ricercatori hanno dovuto trovare un nuovo modo per far crescere il tantalio, di cui sono fatti i qubit cat, su un chip di silicio con il minor numero possibile di difetti su scala atomica.
Secondo Puri, il fatto che AWS possa fabbricare e controllare più qubit cat in un unico dispositivo è un progresso significativo. “Qualsiasi lavoro che vada verso la scalabilità di nuovi tipi di qubit, penso sia interessante”, dice Puri. Ci sono ancora anni di sviluppo da fare. Altri esperti hanno previsto che i computer quantistici richiederanno migliaia, se non milioni, di qubit per svolgere un compito utile. Il lavoro di Amazon “è un primo passo”, dice Puri.
Aggiunge che i ricercatori dovranno ridurre ulteriormente la frazione di errori dovuti ai bit flip man mano che aumenterà il numero di qubit.
Tuttavia, questo annuncio segna la strada di Amazon. “È un’architettura in cui crediamo”, afferma Painter. In precedenza, la strategia principale dell’azienda era quella di perseguire qubit transmon convenzionali, come quelli di Google e IBM, e il progetto del qubit cat veniva trattato come un “lavoro spazzatura”. Ora hanno deciso di dare priorità ai cat qubit. “Ci siamo davvero convinti che questo doveva essere il nostro sforzo ingegneristico principale, e faremo ancora alcune cose esplorative, ma questa è la direzione in cui stiamo andando”. (Anche la startup Alice & Bob, con sede in Francia, sta costruendo un computer quantistico fatto di qubit cat).
Così com’è, Ocelot è fondamentalmente una dimostrazione della memoria quantistica, dice Painter. Il prossimo passo sarà aggiungere altri qubit al chip, codificare più informazioni ed eseguire calcoli veri e propri. Ma ci sono molte sfide da affrontare, da come collegare tutti i fili a come collegare più chip insieme. “La scalabilità non è banale”, dice.
