Amazon Braket Donanım Sağlayıcıları
Amazon Braket, D-Wave firmasından kuantum tavlama, IonQ firmasından iyon tuzağı cihazları ve Rigetti firmasından kapı tabanlı süper iletken makineler dahil olmak üzere üçüncü taraf donanım sağlayıcılarında çeşitli kuantum bilgisayarlarına erişim sunar. Donanım sağlayıcılarımızın her biri teknolojisini ve kuantum bilişime yaklaşımını aşağıda açıklamaktadır.
D-Wave, kuantum bilişim sistemleri, yazılımları ve hizmetlerinin geliştirilmesi ve tesliminde liderler arasındadır ve dünyada kuantum bilgisayarlarının ilk ticari tedarikçisidir. Misyonumuz pratik uygulamalar aracılığıyla müşteriye değer sağlayıp kuantum bilişimin gücünü açığa çıkarmaktır. Lockheed Martin, DENSO ve Volkswagen gibi global kurumlardan NASA Ames, Los Alamos National Lab, Oak Ridge National Lab ve Forschungszentrum Jülich gibi ulusal araştırma merkezlerine kadar dünyanın birçok ileri düzey kurumu sistemlerimizi kullanıyor.
D-Wave kuantum bilgisayarı, kuantum dinamiğinden yararlanarak karmaşık ayrık optimizasyon, kısıtlama tatmini, yapay zeka, makine öğrenimi, malzeme bilimi ve simülasyon problemlerini çözmeye yönelik yeni yöntemlere olanak sağlar ve bu yöntemlerin çalışmasını hızlandırır. Bu problem türleri finansal modelleme, uçak zaman çizelgeleri, seçim modelleme, kuantum kimyası, fiziksel simülasyon, otomotiv tasarımı, önleyici sağlık hizmetleri, lojistik ve daha birçok alanda kullanılabilir.
Sistemimiz matematiksel işlevler şeklinde temsil edilen (tepeler ve vadilerden oluşan bir manzaraya benzer) problemleri çözmek için kuantum tavlamadan yararlanıyor. Süperpozisyon, dolanıklık ve tünelleme gibi kuantum mekaniği gibi kuantum mekaniği etkileri kullanılıyor ve söz konusu işlevlerin en uygun veya en uyguna yakın çözümlere karşılık gelen global minimum noktaları bulunuyor. Cihazımızın kapladığı alan yaklaşık 10 x 7 x 10 inç boyutlarındadır. Fiziksel muhafazası, bir adet kuantum işlem birimini (QPU) destekleyen gelişmiş kriyojenik soğutma, kalkanlama ve G/Ç sistemleri içeriyor. Kuantum etkilerinin hesaplamada rol oynayabilmesi için QPU'nun yalıtılmış bir ortamda olması gereklidir. Soğutucu ile kalkanlama katmanları, cihazın içinde sıcaklığın mutlak sıfıra yakın olduğu ve harici manyetik alanlar, titreşimler ve RF sinyallerinden yalıtılmış, yüksek vakumlu bir ortam oluşturuyor.
QPU'nun kendisi birbirine bağlı bir süper iletken akış kübitleri ağından oluşmuştur. Her kübit, bir Josephson bağlantısı tarafından kesilen ufak bir metal halkadan yapılmıştır. Sistemimizdeki düşük sıcaklıklarda bu halkalar süper iletken haline gelir ve kuantum mekaniği etkileri sergilemeye başlar. Kübit bir kuantum durumundayken akım aynı anda her iki yönde de akar. Bu nedenle, kübit süperpozisyonda yani aynı anda hem 0 hem de 1 durumundadır. Problem çözme süreci tamamlandığında bu süperpozisyon, iki klasik durumdan (0 veya 1) birine döner.
Tek bir kübitten çok kübitli bir QPU'ya geçebilmek için kübiterin birbirleriyle bağlı olup bilgi alışverişi yapabilmeleri gerekir. Kübitler, kendileri de süper iletken halkalar olan bağlayıcılar aracılığıyla birbirine bağlıdır. Kübitler ve bağlayıcılar arasındaki bağlantılar ve manyetik alanları yöneten kontrol devresi birlikte entegre bir programlanabilir kuantum cihazı yapısı oluşturur. QPU bir problemin çözümünü bulduğunda tüm kübitler son durumlarına geçer ve bu kübitlerdeki değerler kullanıcıya döndürülür.
Amazon Braket kullanıcıları, D-Wave kuantum bilgisayarlarına gerçek zamanlı, canlı erişim elde eder. Sistemimizin kullanımını optimize etmek amacıyla AWS müşterileri D-Wave Ocean SDK'sını kullanır. Bu SDK, uygulamanın hedeflerini D-Wave kuantum bilgisayarında çözülmeye uygun bir biçime dönüştürerek ve ardından çözümleri orijinal uygulamaya uygun bir biçimde döndürerek problem eşlemeyi destekleyen bir dizi Python aracıdır. SDK ayrıca problemi kuantum bilgisayarının kullanabileceği bir biçimde temsil eden bir soyutlama katmanı olan Uniform Sampler API'sini ve kullanıcının problemleri çözmek için çeşitli yöntemlerden (bunlara "örnekleyici" adı verilir) hangisinin kullanılacağını belirlemesine olanak tanıyan örnekleyici seçim araçlarını içerir. Söz konusu yöntemler arasında kuantum tavlama, klasik algoritmaların çalıştırıldığı klasik bilgisayar donanımı ve özel tasarlanmış olabilecek örnekleyiciler bulunur.
Kullanıcılar problemleri sisteme çeşitli yollardan iletebilse de problem en sonunda kübitlerin ağırlığına ve bağlayıcıların gücüne karşılık gelen bir dizi değer tarafından temsil edilir. Problem çözümleri ise bulunan en uygun kübit konfigürasyonuna yani enerji ortamındaki en düşük noktalara karşılık gelir. Bu değerler kullanıcıya döndürülür. Kuantum bilgisayarları belirlenimci değil olasılıkçı olduğundan birden fazla değer döndürülebilir. Bunlar problem için en uygunu olmasa da bir grup iyi çözümü temsil eder.
IonQ evrensel kuantum bilişim alanında liderler arasındadır. Kuantum bilgisayarı oluşturmak için en iyi yolun doğadan başlamak olduğuna inanıyoruz: IonQ, kuantum işlem birimlerinin kalbi olarak tek tek atomları kullanıyor. Bu atomları, bir yonga üzerindeki yarı iletken tanımlı elektrotlarla havaya kaldırıyoruz. Ardından lazerleri kullanarak ilk hazırlığı, kapı işlemlerini ve son okumayı gerçekleştiriyoruz. Bunların hepsini bir araya getirmek için mantığa aykırı gelen fizik işlemleri, hassas optik ve makine mühendisliği ve çeşitli bileşenler üzerinde ayrıntılı cihaz yazılımı denetimi gerekiyor. IonQ, 2015 yılında Jungsang Kim ve Christopher Monroe tarafından kuruldu.
Kuantum bilgisayarımızdaki hesaplama görevlerinin yürütülmesi, her bir kuantum kapı işleminin uygulanması için kullanılan lazer atışlarının sırasını programlayarak gerçekleştiriliyor. Sistemimizin mimarisi, sistemdeki rastgele bir grup kuantum biti (kübit) arasında kapı işlemleri gerçekleştirilmesine olanak tanıyor. Bu sayede sistem, çok çeşitli kuantum algoritmalarını verimli bir şekilde çalıştırabilen, son derece çok yönlü bir hesaplama makinesi halini alıyor. Sistemimiz, kimya ve malzeme bilimi simülasyonu, lojistik ve optimizasyon, ilaç sektörü ve güvenlik uygulamalarındaki problemleri ele almak için tasarlanmış geniş bir kuantum algoritmaları yelpazesini yürütebiliyor.
IonQ'nun kuantum bilişime yönelik tuzaklanan iyon yaklaşımı iyonlaşmış iterbiyum atomlarıyla başlıyor. Birbirinin aynı bu atomların iki iç durumu, her kuantum bilgisayarının en önemli parçası olan kübitleri oluşturur. Her bir iterbiyum atomu, evrendeki tüm diğer iterbiyum atomlarının tamamen aynısıdır. İlk olarak atomdan bir elektron çıkararak onu iyona dönüştürüyoruz ve doğrusal iyon tuzağı adı verilen özel bir yonganın yardımıyla bu iyonu 3 boyutlu uzayda hassas bir şekilde yerinde tutuyoruz. Bu tuzakta yaklaşık 100 adet minik elektrot vardır. Bu elektrotlar, ortam gürültüsünü ve eş fazlılığın kaybolmasını en aza indirmek için iyonlarımızı ortamdan yalıtarak yerinde sabit tutan elektromanyetik kuvvetleri üretmek için hassas bir şekilde tasarlanıyor, üretiliyor ve kontrol ediliyor.
İlk iyon yerine taşındıktan sonra doğrusal bir zincire dilediğimiz sayıda iyon yükleyebiliriz. Bu istek üzerine yeniden yapılandırabilme özelliği, teorik olarak yeni bir yonga üretmeye veya temelde yatan donanımları değiştirmeye gerek kalmadan tek kübitli bir sistemden 100'den fazla kübit içeren bir sisteme (henüz mevcut değil) kadar her çeşit sistemi oluşturabilmemizi sağlıyor. Atomlar tuzağa yakalandıktan sonra onları dilediğimiz kuantum durumunda hazırlayabiliyoruz ve kübitler ortamdan yeterince yalıtıldıkları sürece atomlar aynı durumda kalıyor. İyonlarımızı kuantum hesaplamalarında kullanabilmek için önce bu göreve uygun olarak hazırlamamız gerekir. Bu iki adımlı bir işlemdir. Hesaplamaya ilişkin gürültüyü azaltmak için soğutma adımı ve sonra her iyonu kullanıma hazır bir şekilde, iyi tanımlanmış bir "sıfır" durumuna getiren durum hazırlığı adımı uygulanır.
Kapı işlemlerini her biri tek bir iyonun üzerine yöneltilen bir dizi lazer ışını ve bunlara ek olarak bir adet "global" ışın ile gerçekleştiriyoruz. İki ışın arasındaki girişim, kübitleri başka bir duruma geçirebilecek bir kontrol sinyali oluşturur. İyonların durumunu değiştirerek tek ve çift kübitli kapılar oluşturabiliriz. Bugüne kadar, 79 iyonlu bir zincirde tek kübitli kapılar ve 11 iyona varan zincirlerde birden fazla çift kübitli kapı içeren karmaşık algoritmalar çalıştırdık. Hesaplama tamamlandığında sonucun okunması tüm iyonların üzerine rezonant bir lazer tutup kuantum bilgisinin iki durumdan birine çökmesi sağlanarak gerçekleştiriliyor. Bu ışığı toplayıp ölçerek aynı anda her iyonun çöktüğü durumu okuyabiliyoruz. Bu iki durumdan biri lazer ışığı altında parlar ve diğeri parlamaz. Sonucu ikili bir dize olarak yorumluyoruz. Atomik iyon kübitlerini ortamdan yalıtmak için tuzağı, basıncı yaklaşık 10-11 Torr değerine düşürülmüş, son derece yüksek vakumlu bir hazneye yerleştiriyoruz. Bu basınçta, belirli bir hacimdeki molekül sayısı uzay boşluğundan daha düşüktür.
Rigetti Computing, süper iletken kübit teknolojisinden yararlanan entegre kuantum bilişim sistemleri üretip dağıtıyor. Bu sistemler, kurumların mevcut hesaplama iş akışlarına güçlü kuantum işlemcileri ekleyebilmesini sağlıyor. Rigetti finans, sigorta, ilaç, savunma ve enerji sektöründeki müşterilere simülasyon, optimizasyon ve makine öğrenimi uygulamalarına odaklanmış özel yazılımlar ve tam yığın çözümler sunuyor. Şirketin genel merkezi ABD'nin California eyaletinde olup Washington, DC şehrinde, Avustralya'da ve Birleşik Krallık'ta şubeleri vardır.
Rigetti kuantum işlemcileri, süper iletken kübitlerin temel alındığı evrensel, kapı modeli makinelerdir. Aspen serisi yongalarımız, yüksek sayıda kübite ölçeklenebilir bir sistem mimarisinde değişmeli bir şekilde sabit frekanslı ve ayarlanabilir frekanslı süper iletken kübitlerin oluşturduğu ve yan yana birleştirilebilecek örgülerden oluşuyor. Bu yongalardaki parametrik dolanma mantık kapıları ayrıca hızlı kapı süreleri ve yüksek program yürütme hızları sunuyor. Aspen serisi kuantum yongaları, Rigetti'nin özel cihaz dökümhanesinde süper iletken devrelerine ait en yeni üretim teknikleri kullanılarak üretiliyor. Böylece hassaslık, ölçek ve hızın güçlü bir kombinasyonu elde ediliyor.
Rigetti işlemcileri, üç ana alt sistemden oluşuyor. İlk olarak, kullanıcı programları verimli bir derleyici araç zinciri aracılığıyla makine için yerel talimatlar şeklinde optimize edilir. Ardından, gecikme süresi düşük bir denetleyici donanımı bu talimatları kalibre edilmiş elektrik sinyalleri olarak sıralar. Son olarak da eş fazlı süper iletken devre öğelerinden oluşan kübitler bu elektrik sinyallerini mantıksal bir şekilde dijital kuantum kapılarına ve ölçüm talimatlarına dönüştürür.
Aspen yongası bağlantı grafiği, bağlantı açısından 3 katlı (kenarlarda 2 katı) altıgendir. Rigetti quilc derleyicisi, soyut bir kuantum algoritmasını bu fiziksel bağlantılar ağına eşler. İki kübit arasında dolanıklık yaratmadan kuantum durumlarını değiştirebilen "SWAP" kapıları, Aspen işlemcisi boyunca kuantum bilgilerini taşıyarak birbirine en yakın olmayan komşu kübitleri bağlayabilir. Bu işlemlerin maliyeti yüksek olabileceğinden quilc derleyicisi, "düzen sorunu" için son derece optimize edilmiştir. Aspen grafiklerindeki programlar için derlenmiş derinliklerin çoğu zaman tümden tüme, seri program yapısından az veya yaklaşık buna eşit olduğu tahmin edilmektedir.
Rigetti'nin iki kübitli dolanma kapı mekanizması (genellikle bir kontrollü aşama kapısı veya "CZ" kapısı), elektrik frekans modülasyonu (FM) denetimi kullanılarak aktif hale geçirilir. Denetleyici, bu "parametrik kapı" sınıfı için bir kübitin radyo frekansı (GHz) çalışma noktalarını yöneten elektrik öngerilimi (radyo düğmesi gibi düşünülebilir) aracılığıyla bir CZ kapısı talimatı yürüterek bu FM spektrumunu en yakın komşu kübitle kesin olarak tanımlanmış bir süre boyunca rezonansa getirir. Aspen grafiğinde, bu şema için kübitlerin en az yarısının FM ile ayarlanabilir olması gerekir. Eş fazlılığın bozulmasının bir algoritma üzerindeki etkisini tahmin etmek için kübitlerin yaşam süreleri (~25-50 μs), kapı süresi (~50-200 ns) ile algoritmanın devre derinliğinin çarpımıyla karşılaştırılmalıdır. 32 kübitli bir form faktörünün temel alındığı en son Rigetti işlemcisine (Aspen-7) ait olan bu süreler Tablo 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1: Kübitlerin sekizli sistemde etiketlendiği ve doğrudan kübit-kübit bağlantılarının grafik şeklinde gösterildiği, Rigetti Aspen serisi yongaların ölçeklenebilir devre topolojisi.
Ortalama Süre (μs)
T1 Yaşam Süresi
T2 Yaşam Süresi
Tek kübitli kapı işlemi
Çift kübitli kapı işlemi
Yazmacı sıfırlama işlemi
Tablo 1 - Aspen-7 işlemcisinin yaşam süreleri ve işlem hızları, veriler 24/10/2019 tarihinde alınmıştır.
Ortalama Uygunluk (işlem başına)
Tek kübitli kapılar
Çift kübitli kapılar
Geometrik ortalama işlemi
Tablo 2 - Aspen-7 işlemcisi için işlem başına uygunluk, veriler 24/10/2019 tarihinde alınmıştır.
Aspen-7 için tek kübitli kapılar, çift kübitli kapılar ve durum hazırlama ve ölçme (SPAM) talimatlarının tipik ortalama uygunlukları Tablo 2'de gösterilmektedir. Evrensel kuantum bilgisayarlarında daha karmaşık karşılaştırmalar çalıştırılabilir ancak yonga düzeyinde performans için birinci dereceden bir yaklaşık değer her talimat türünün geometrik ortalamasıdır. Yani, yonganın medyan tek kübitli, çift kübitli ve yazmaç hazırlama/okuma işlemleri kullanılır. Aspen-7 yongasının ortalama uygunluğu %97,2'dir. Entegre devrenin içinde silikon üzerinden bağlantılar ve fiskeli yonga bağlantılı süper iletken kalkan, yonga üzerinde parazit kontrol sinyali çapraz karışmasını en aza indirir.
Amazon Braket hakkında sık sorulan soruları inceleyin