Anyony nieabelowe z uniwersalnym zestawem bramek, mapa DOE wyznacza termin 2028

Wynik jest ważny, bo uniwersalne komputery kwantowe były dotąd głównie obietnicą zwykłych kubitów, czyli takich, które przechowują informację w dwóch stanach i ich kwantowych mieszaninach. Anyony nieabelowe działają inaczej. W przyrodzie nie występują jako samodzielne cząstki. Naukowcy tworzą je wewnątrz układów, splątując wiele konwencjonalnych kubitów w stan zbiorowy, który rządzi się własnymi prawami.

„Pokazaliśmy tak zwany uniwersalny zestaw bramek, co oznacza, że jeśli przechowujesz informację w tych wyłaniających się wersjach kwarków i przemieszczasz je, możesz wykonać dowolne obliczenie kwantowe, jakie chcesz”, powiedział Ruben Verresen, adiunkt inżynierii molekularnej w Pritzker School of Molecular Engineering Uniwersytetu w Chicago i współautor badania. Cytat pochodzi z artykułu ScienceDaily o publikacji.

W pracy wzięli udział badacze z UChicago PME, Harvardu, Stony Brook University i Quantinuum. Zespół przeszedł na grupę symetrii S3, czyli obroty i odbicia lustrzane, które nie zmieniają trójkąta równobocznego, i wytworzył odpowiadające im anyony na procesorze uwięzionych jonów H2 firmy Quantinuum.

Dlaczego liczy się fuzja, a nie tylko splatanie

Dwa lata temu zespół z udziałem Verresena użył komputera z uwięzionymi jonami Quantinuum, żeby stworzyć anyony związane z inną grupą symetrii, D4. Opisuje ona obroty i odbicia, które nie zmieniają kwadratu. Eksperyment z 2024 roku pokazał, że cząstki da się wytworzyć i manipulować nimi. Nie dowiódł jednak, że samo splatanie wystarczy do wykonania każdej operacji, jakiej potrzebuje uniwersalna maszyna.

„W tamtej pracy nie pokazaliśmy, że te wyłaniające się siły wystarczą do obliczeń kwantowych, powiedział Verresen., Ten konkretny wszechświat, który stworzyliśmy, nie był wystarczająco potężny”.

Nowy eksperyment łączy splatanie z fuzją, czyli procesem scalania anyonów, i dzięki temu obejmuje pełny zakres operacji. To właśnie tę lukę techniczną praca ma zamykać. ScienceDaily opisuje to podejście jako potencjalnie wydajniejsze od standardowej drogi, która opiera się na stanach magicznych wytwarzanych przez destylację, czyli etap oczyszczania, który może pochłaniać dużą część kubitów maszyny.

„Kody nieabelowe to czarny koń w wyścigu o korekcję błędów kwantowych”, powiedział Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i kierownik naukowy monachijskiego biura Quantinuum oraz współautor badania.

Dreyer idzie dalej: jego zdaniem praca pokazuje, że obliczenia odporne na błędy można w zasadzie prowadzić bez destylacji lub kultywacji stanów magicznych, które opisuje jako najdroższe operacje w standardowych kodach korekcji błędów kwantowych. ScienceDaily opublikował swoją relację 27 września.

DOE chce użyteczności naukowej do 2028 roku

W ten sam weekend pojawił się dokument polityczny z terminem. Fermilab ogłosił 27 września, że Departament Energii wydał krajową mapę drogową obliczeń kwantowych. Napisał ją podkomitet Rady Doradczej Biura Nauki, któremu przewodniczy Anna Grassellino, dyrektor ds. technologii w Fermilab, a wiceprzewodniczącym jest profesor Uniwersytetu w Chicago Supratik Guha.

Raport „SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future” wyznacza trzy fazy. Faza I trwa od 2026 do 2028 roku i stawia konkurencyjne, wielodyscyplinarne wyzwania łączące laboratoria narodowe, uczelnie i przemysł. Faza II przewiduje DOE Quantum Computing User Facility, które raport opisuje jako otwarty instrument naukowy, a nie komercyjną usługę w chmurze. Faza III, od 2030 roku, zakłada koprocesory, symulatory i czujniki kwantowe wplecione w sieci AI i obliczeń wielkiej skali DOE.

Celem nie jest największy komputer kwantowy, ale problemy, których inaczej nie da się rozwiązać: przewidywanie właściwości cząsteczek przy poszukiwaniu leków, projektowanie katalizatorów, symulowanie materiałów istotnych dla fuzji i modelowanie fizyki wczesnego wszechświata. Komunikat Fermilab mówi, że mapa ma doprowadzić do pokazania naukowo istotnego, skorygowanego pod względem błędów komputera kwantowego do 2028 roku.

Sprzęt i modelowanie wciąż idą naprzód

IBM poinformował 19 sierpnia, że połączył i schłodził dwa kriogeniczne moduły w jednym środowisku, co jest krokiem do łączenia setek chipów kwantowych. Według komunikatu IBM moduły mają ponad 8 stóp wysokości i 8 stóp szerokości, schładzają się do 4 kelwinów w niespełna pięć dni, a wkrótce potem osiągają poniżej 15 milikelwinów. IBM twierdzi, że konstrukcja daje do 12 razy więcej miejsca na okablowanie niż najczęściej używane systemy kwantowe firmy, i powtarza cel z mapy drogowej: maszynę odporną na błędy, IBM Quantum Starling, w 2029 roku.

„Udane połączenie i uruchomienie tych kriogenicznych modułów to skok naprzód w tym kierunku”, powiedział Jay Gambetta, dyrektor IBM Research i IBM Fellow, w komunikacie. IBM zapowiada, że w tym roku zainstaluje w modułach procesory Nighthawk.

Dalej od nagłówków sponsorowany tekst na SemiEngineering z 24 września opisuje inne wąskie gardło: elektronikę sterującą i odczytującą, która przy temperaturach kriogenicznych leży obok płytek z kubitami. Wpis firmy Keysight podaje 41,8% złożonej rocznej stopy wzrostu rynku obliczeń kwantowych w latach 2025–2030, powołując się na MarketsandMarkets, i opisuje podejście hybrydowe: model kompaktowy BSIM-BULK dopasowany w temperaturze pokojowej, a potem sieci neuronowe, które uczą się resztkowego zachowania w 4 kelwinach, jakiego model fizyczny nie wychwytuje.

To problemy inżynierskie, nie zapowiedzi. Od nich zależy, czy cokolwiek z powyższych przyjdzie na czas.

Materiał nie mówi, kiedy praca w Nature ukazała się online, tylko że ScienceDaily opisał ją 27 września. Nie podaje też wskaźnika błędów dla demonstracji na 54 kubitach, więc praktyczny dystans między uniwersalnym zestawem bramek na H2 a użyteczną maszyną pozostaje tu nieokreślony. Cel 2028 roku z mapy DOE to kamień milowy użyteczności naukowej, a nie twierdzenie, że taka maszyna istnieje dziś.