Đối tác của Amazon và Caltech để tạo ra trung tâm điện toán lượng tử mới

Sự hợp tác có thể dẫn đến các công nghệ điện toán lượng tử tiên phong cho một loạt các lĩnh vực.

Năm ngoái, một tòa nhà hai tầng mới đã hình thành ở góc đông bắc của khuôn viên Caltech. Mặc dù khiêm tốn về thiết kế, những gì diễn ra bên trong cấu trúc có thể biến đổi tương lai của máy tính. Tòa nhà là Trung tâm Điện toán Lượng tử AWS, là kết quả của sự hợp tác giữa Caltech và Amazon Web Services, chi nhánh điện toán đám mây của Amazon. Mục tiêu của sự hợp tác là tạo ra máy tính lượng tử và các công nghệ liên quan có tiềm năng cách mạng hóa bảo mật dữ liệu, học máy, phát triển y học, thực hành bền vững, v.v.

“Hầu hết mọi người đều biết đến công ty Amazon. Fernando Brandão, Giáo sư Vật lý lý thuyết Bren tại Caltech và trưởng bộ phận thuật toán lượng tử tại AWS cho biết. “Amazon Web Services là nhà cung cấp đám mây lớn nhất trên Trái đất hiện nay. Họ đang suy nghĩ về cách họ có thể làm cho việc tính toán trở nên đơn giản hơn và tốt hơn cho những người sử dụng AWS. Và họ cũng đang suy nghĩ về bước tiếp theo, và cách thực hiện điện toán và điện toán đám mây trong 5 hoặc 10 năm tới ”.

Sự hợp tác sẽ giúp kết nối khía cạnh thương mại của điện toán lượng tử với nghiên cứu cơ bản đang diễn ra tại Caltech, nơi có lịch sử lâu dài về những đột phá trong khoa học lượng tử.

Oskar Painter (MS ’95, PhD ’01), John G. Braun, Giáo sư Vật lý và Vật lý Ứng dụng tại Caltech và là người đứng đầu bộ phận phần cứng lượng tử của AWS cho biết: “AWS sẽ được hưởng lợi từ những ý tưởng tràn ngập trong khuôn viên trường. Painter nói rằng điện toán lượng tử vẫn còn là một công nghệ rất non trẻ, vì vậy điều quan trọng đối với các nỗ lực phát triển là phải kết nối trực tiếp với các nghiên cứu mới nhất trong học thuật.

“Nếu chúng ta chỉ lấy những ý tưởng của ngày hôm nay và tiếp tục với chúng, chúng ta sẽ tạo ra một con khủng long của máy tính lượng tử,” Painter nói. “Chúng ta cần được kết nối chặt chẽ và gắn bó với những nỗ lực nghiên cứu cơ bản này.”

Đây là tòa nhà hợp tác công ty đầu tiên trong khuôn viên Caltech, và nó phản ánh lợi ích của Caltech trong việc đưa khoa học cơ bản ra thị trường. Thông qua học bổng, thực tập và hội thảo, trung tâm cũng sẽ hỗ trợ sinh viên Caltech và các nhà khoa học bước đầu vào nghề.

“Sinh viên sẽ có cơ hội tiếp xúc với các nghiên cứu tiên tiến bằng cách đặt trung tâm tại Caltech. Điều này sẽ khá tuyệt vời đối với học sinh, ”Painter nói. “Và AWS có thể khai thác tài năng đó. Đó là những kỹ sư và nhà khoa học tương lai, những người sẽ chế tạo máy tính lượng tử ”.

Mở rộng quy mô

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc xây dựng máy tính lượng tử là mở rộng quy mô chúng. Bởi vì công nghệ đằng sau máy tính rất phức tạp, các nguyên mẫu hiện tại vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm. Để máy tính lượng tử thực sự vượt xa những gì có thể làm được với máy tính cổ điển ngày nay – một cột mốc được gọi là lợi thế lượng tử – chúng sẽ cần phải lớn hơn nhiều.

Ví dụ, các máy tính lượng tử thô sơ ngày nay chỉ hoạt động trên vài chục qubit – lượng tử tương đương với các bit, hoặc số 1 và số 0 tạo nên ngôn ngữ của máy tính cổ điển. Các nhà nghiên cứu muốn chế tạo máy tính lượng tử với hàng nghìn qubit và hơn thế nữa.

Brandão nói: “Máy tính cổ điển có hàng tỷ và thậm chí hàng nghìn tỷ bit, và đó là nơi cuối cùng chúng tôi muốn có mặt với qubit.

Painter cho biết mặc dù một số báo cáo trên các phương tiện truyền thông đã gợi ý rằng máy tính lượng tử đã xuất hiện, nhưng công nghệ này vẫn còn sơ khai. “Giờ đây, chúng ta có thể giải quyết những vấn đề nhỏ với máy tính lượng tử nhưng chúng ta cần mở rộng quy mô công nghệ lên nhiều cấp độ trước khi chúng ta có thể thực sự giải quyết những vấn đề có tác động lớn. Tìm ra những vấn đề nào được giải quyết tốt nhất với máy tính lượng tử cũng là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực. Có sự phấn khích bởi vì chúng tôi đang bắt đầu có thể điều khiển các hệ thống lượng tử quy mô lớn, nhưng chúng tôi vẫn chưa có tất cả câu trả lời. ”

Không giống như các bit, qubit có thể tồn tại ở một trạng thái lượng tử được gọi là chồng chất nơi chúng đồng thời là 1 và 0, và tất cả các trạng thái có thể có ở giữa. (Trong phép tương tự chồng chất nổi tiếng của Erwin Schrödinger, một con mèo có thể vừa chết vừa sống cùng một lúc, nhưng con mèo cũng có thể ở bất kỳ sự kết hợp nào, hoặc chồng chất, của hai trạng thái đó.)

Với sức mạnh đi kèm với sự mong manh

Khả năng của các qubit để đảm nhận nhiều trạng thái cùng một lúc là điều mang lại cho máy tính lượng tử tiềm năng trở nên mạnh mẽ hơn theo cấp số nhân so với máy tính cổ điển đối với một số loại vấn đề, bao gồm cả những vấn đề trong hóa học, tài chính, mật mã và hơn thế nữa. Nhưng sức mạnh đó đi kèm với nhược điểm. Qubit rất mong manh; bất kỳ sự xáo trộn nhỏ nào, chẳng hạn như rung động hoặc nhiệt, có thể đẩy chúng ra khỏi vị trí chồng chất, một hiện tượng được gọi là phân rã. Chìa khóa để xây dựng các máy tính lượng tử thành công trong tương lai nằm ở việc kiểm soát những lỗi này.

Painter cho biết: “Các bóng bán dẫn trong các máy tính hiện đại của chúng tôi có tỷ lệ lỗi cực kỳ thấp ở mức một lỗi trên một tỷ tỷ thao tác, cho phép thực hiện các phép tính phức tạp. “Máy tính lượng tử hiện nay bị giới hạn bởi tỷ lệ lỗi ở mức xấp xỉ một lỗi trong mỗi nghìn lần hoạt động”.

Mục tiêu chính của AWS là tạo ra một kiến trúc máy tính xây dựng khả năng sửa lỗi lượng tử vào phần cứng. Phần cứng AWS dựa trên các qubit siêu dẫn, hoạt động ở nhiệt độ cực lạnh trên độ không tuyệt đối một chút. Phương pháp sửa lỗi lượng tử sử dụng các tập hợp qubit dư thừa ở cấp phần cứng vật lý (qubit “vật lý”) để tạo thành qubit “logic”, mã hóa thông tin lượng tử và có thể được sử dụng để phát hiện và sửa lỗi. Một thách thức chính trong việc sửa lỗi lượng tử là số lượng lớn phần cứng liên quan đến số lượng qubit vật lý được yêu cầu trên mỗi qubit logic.

Painter nói: “Trong các máy tính lượng tử được sửa lỗi, càng nhiều qubit vật lý được sử dụng để tạo thành qubit logic, thì càng tốt hơn có thể giảm tỷ lệ lỗi qubit logic so với tỷ lệ lỗi qubit vật lý riêng lẻ. “Trong tương lai, chúng tôi muốn mở rộng số lượng qubit logic lên hàng trăm hoặc hàng nghìn, đồng thời làm giảm tỷ lệ lỗi qubit logic theo nhiều cấp độ, để chúng tôi có thể thực hiện các phép tính lượng tử có đủ độ phức tạp để giải quyết các vấn đề có giá trị cao. . Để làm được như vậy, chúng tôi cần phải phát triển hơn nữa cả phần cứng vật lý và kiến trúc qubit logic ”.

Rễ lượng tử

Caltech rất phù hợp với vai trò là trung tâm đổi mới lượng tử nhờ vào lịch sử phong phú trong lĩnh vực này. Richard Feynman, một giáo sư vật lý lâu năm của Caltech, là một trong những người đầu tiên đề xuất máy tính lượng tử. Trong một bài giảng năm 1981, ông giải thích nổi tiếng rằng có những giới hạn đối với việc mô phỏng các hệ thống trong vật lý bằng máy tính cổ điển bởi vì “tự nhiên không phải là cổ điển, chết tiệt, và nếu bạn muốn tạo ra một mô phỏng tự nhiên, tốt hơn bạn nên biến nó thành cơ học lượng tử, và thật thú vị, đó là một vấn đề tuyệt vời bởi vì nó trông không dễ dàng như vậy. “

Năm 1994, cựu sinh viên Caltech Peter Shor (BS ’81), khi đó tại Bell Labs, đã phát triển một thuật toán lượng tử có thể tính toán số lượng lớn trong khoảng thời gian rất ngắn, chứng tỏ sức mạnh to lớn của công nghệ tương lai. Ví dụ, một máy tính lượng tử sẽ có thể tính một số có 2.048 chữ số trong tám giờ, trong khi điều này sẽ mất khoảng 300 nghìn tỷ năm đối với một máy tính cổ điển. “Khi tôi nghe về điều này, tôi đã rất kinh ngạc”, học giả John Preskill của Amazon, Giáo sư Vật lý lý thuyết Richard P. Feynman và là giám đốc của Viện Khoa học và Công nghệ Lượng tử (IQIM), nhớ lại trong một bài báo năm 2013 của Caltech . Shor cũng đã giúp đi tiên phong trong việc phát triển các mã sửa lỗi lượng tử.

Jeff Kimble của Caltech, Giáo sư Vật lý Danh dự William L. Valentine, là một trong những người đầu tiên, vào năm 1998, đạt được dịch chuyển lượng tử , theo đó thông tin được gửi từ chùm sáng này sang chùm ánh sáng khác thông qua hiện tượng vướng víu , một quá trình trong đó các hạt được kết nối với nhau mà không tiếp xúc trực tiếp với nhau. Năm 2008, ông và các đồng nghiệp của mình cũng là những người đầu tiên lưu trữ các trạng thái lượng tử vướng víu trong một thiết bị nhớ.

“Tôi đến Caltech khi còn là một sinh viên tốt nghiệp để nghiên cứu với những người như Jeff Kimble, người đang đo lường các hệ thống lượng tử nguyên tử- photon nhỏ với độ nhạy tinh tế, và người đang phát triển các giao thức lượng tử với những hệ thống này cuối cùng có thể được sử dụng để tạo ra một dạng lượng tử một ngày nào đó có internet, ”Painter nói.

Annika Dugad, một sinh viên hiện đang tốt nghiệp tại Caltech, cho biết việc có trung tâm AWS trong khuôn viên trường sẽ mang lại nhiều tiếng vang hơn cho nghiên cứu lượng tử tiên tiến đang diễn ra tại Caltech. Dugad là một trong số các học giả có các nghiên cứu sau đại học đang được tài trợ bởi Amazon. Cô ấy đang sử dụng sự hỗ trợ để nghiên cứu nghịch lý thông tin lỗ đen, một bí ẩn lần đầu tiên được Stephen Hawking soi sáng vào đầu những năm 1970 hỏi điều gì sẽ xảy ra với thông tin bị mắc kẹt bên trong lỗ đen . Cuối cùng, Dugad nói rằng cô ấy muốn lấy những gì đã học và áp dụng nó vào các câu hỏi thực tế hơn trong điện toán lượng tử.

Cô nói: “Không nhiều trường có loại trung tâm lượng tử này. “Tôi biết có một lối thoát mà tôi có thể đến để cộng tác trong các thí nghiệm. Academia có nhịp độ chậm hơn về bản chất, nhưng trong ngành công nghiệp, họ có thời hạn và thực sự có thể khiến mọi thứ diễn ra tốt đẹp ”.

Brandão nói: “Có một mô hình mới trong máy tính. “Nó không chỉ là làm cho các máy tính hiện tại của chúng ta nhanh hơn một chút hoặc tốt hơn một chút như chúng ta đã thấy ít nhất trong 50 năm qua. Đó là về việc xây dựng một loại máy tính hoàn toàn mới. Điện toán lượng tử còn rất sớm, nhưng tôi nghĩ nó cũng rất thú vị ”.

Theo Scitechdaily