Anyony nieabelowe wystarczą do uniwersalnych obliczeń kwantowych, twierdzi zespół z Chicago

Wyniki ukazały się w Nature, a 25 września ogłosił je Uniwersytet Chicagowski. Zespół połączył przeplatanie anyonów, czyli braiding, z fuzją, żeby uzyskać uniwersalny zestaw bramek. Komunikat uczelni omówił ScienceDaily. Wymienia on Pritzker School of Molecular Engineering przy UChicago, Harvard, Stony Brook University i Quantinuum.

Uniwersalność znaczy tyle, że maszyna potrafi uruchomić dowolny algorytm kwantowy, a nie jedno wyspecjalizowane zadanie. Wynik jest dowodem reguły na 54 kubitach, nie działającym komputerem ogólnego przeznaczenia.

Korekcja błędów to główny problem inżynierski tej dziedziny. Komputery kwantowe są kruche, więc informację rozprasza się zwykle po wielu kubitach fizycznych, żeby przetrwała szum. Takie chronione stany najczęściej nie potrafią jednak wykonać wszystkich operacji, jakich potrzebuje maszyna uniwersalna. Inżynierowie wypełniają lukę „stanami magicznymi”, czyli przygotowanymi zasobami wymagającymi oczyszczania zwanego destylacją. Ten proces potrafi pochłonąć dużą część dostępnych kubitów. Nowa praca przekonuje, że anyony nieabelowe mogą całkiem ominąć ten koszt.

„Kody nieabelowe są czarnym koniem wyścigu o korekcję błędów kwantowych” - powiedział Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i kierownik naukowy monachijskiego biura Quantinuum, współautor badania. „W tej pracy pokazujemy pierwszy uniwersalny zestaw bramek w kodzie nieabelowym, co dowodzi, że obliczenia odporne na błędy da się w zasadzie prowadzić bez destylacji ani hodowli stanów magicznych, czyli bez najdroższych operacji w standardowych kodach korekcyjnych.”

Anyony nie występują w przyrodzie jako samodzielne cząstki. Naukowcy tworzą je wewnątrz układów. Splątują wiele zwykłych kubitów w stan zbiorowy, który rządzi się własnymi prawami. Przesunięcie jednego anyonu wokół drugiego to braiding. Zmienia on zakodowany stan. Kolejność tych ruchów ma znaczenie i właśnie to znaczy „nieabelowe”. Ponieważ informacja jest rozłożona na całą splątaną grupę, jest też osłonięta przed częścią drobnych zaburzeń.

Wcześniejszy eksperyment z 2024 r., częściowo z udziałem tych samych badaczy, wytworzył anyony związane z grupą symetrii D4. To obroty i odbicia, które nie zmieniają kwadratu. Praca działała na maszynie jonowej Quantinuum. Pokazała, że cząstki da się wytworzyć i przesuwać. Samo braiding nie wystarczało jednak do uniwersalnych obliczeń.

„W tamtej pracy nie pokazaliśmy, że te wyłaniające się siły wystarczą do obliczeń kwantowych” - powiedział Ruben Verresen, adiunkt inżynierii molekularnej na UChicago PME, współautor. „Ten konkretny wszechświat, który stworzyliśmy, nie był dość potężny.”

W nowym badaniu zespół przeszedł na S3, grupę symetrii trójkąta równobocznego. Odpowiadające jej anyony zbudował na procesorze H2 firmy Quantinuum, wykorzystując 54 splątane kubity. Verresen opisał te kody jako „tworzenie małych wszechświatów” w komentarzach udostępnionych przez uczelnię. Twierdzenie pracy jest wąskie i sprawdzalne: ten konkretny kod obsługuje uniwersalny zestaw bramek w sprzęcie.

W tym samym tygodniu Departament Energii USA zajął się innym pytaniem: do czego komputery kwantowe mają służyć. 25 września Fermilab opublikował raport Komitetu Kwantowego SCAC „Path to an Integrated Quantum Future”. Poprzedziła go praca całego środowiska pod przewodnictwem Anny Grassellino, dyrektor ds. technologii Fermilabu; wiceprzewodniczącym był profesor Uniwersytetu Chicagowskiego Supratik Guha.

Raport wyznacza drogę opartą na kamieniach milowych do naukowo użytecznego komputera kwantowego z korekcją błędów w 2028 r. Szkicuje plan trzech faz. Pierwsza to konkursowe Wielkie Wyzwania od 2026 do 2028 r., łączące laboratoria narodowe, uczelnie i przemysł. Druga to DOE Quantum Computing User Facility, opisany w raporcie jako otwarty instrument naukowy, a nie komercyjna usługa chmurowa. Trzecia włącza procesory kwantowe do infrastruktury obliczeniowej wysokiej wydajności i AI Departamentu Energii od 2030 r. Wymienione zastosowania to przewidywanie cząsteczek na potrzeby odkrywania leków, katalizatory dla przemysłu, materiały istotne dla fuzji i fizyka wczesnego wszechświata.

Producenci sprzętu równolegle naciskają na stronę kriogeniczną. IBM podał 19 sierpnia, że połączył i schłodził dwa modułowe systemy kriogeniczne w jednym środowisku. To krok w stronę łączenia setek chipów kwantowych. Moduły mają ponad 8 stóp wysokości i 8 stóp szerokości. Schładzają się do 4 K, czyli 4 000 milikelwinów, w mniej niż pięć dni i osiągają poniżej 15 milikelwinów. IBM opisuje to jako ponad 180 razy zimniejsze niż głęboki kosmos. Firma planuje zamontować w modułach procesory Nighthawk jeszcze w tym roku. Nadal celuje w maszynę odporną na błędy, Starling, w 2029 r.

Między kubitami a chłodniami siedzi mniej widoczny problem: modelowanie elektroniki sterującej i odczytowej, która musi pracować kilka stopni powyżej zera absolutnego. Artykuł sponsorowany opublikowany przez Semiconductor Engineering 24 września opisuje pewien tok pracy. Najpierw powstaje kompaktowy model BSIM-BULK w temperaturze pokojowej. Potem hybrydowa sieć neuronowa uczy się resztkowego zachowania kriogenicznego, którego model fizyczny nie obejmuje, na podstawie danych pomiarowych z 4 K lub niżej. Artykuł podaje 41,8% skumulowanego rocznego tempa wzrostu rynku obliczeń kwantowych od 2025 do 2030 r., powołując się na MarketsandMarkets. To prognoza dostawcy, nie pomiar.

Dwa wrześniowe ogłoszenia wskazują w przeciwnych kierunkach. Wynik z anyonami to konkretne, zweryfikowane sprzętowo twierdzenie o jednej drodze do odporności na błędy. Autorzy mówią wprost, że znosi on jeden drogi etap w zasadzie, a nie w maszynie produkcyjnej. Plan Departamentu Energii jest dokumentem politycznym z datami, za którym nie stoi nowy eksperyment.

Jedna rozbieżność rzuca się w oczy. Raport SCAC przekonuje, że o sukcesie powinna decydować użyteczność naukowa, a nie kamienie milowe dotyczące sprzętu. Ten sam plan nadal jednak zobowiązuje do komputera z korekcją błędów w 2028 r. To nie są te same miary i raport ich nie godzi.

Testem na najbliższą przyszłość jest to, czy inne zespoły odtworzą uniwersalny zestaw bramek S3. A także czy operacje oparte na fuzji skalują się poza 54 kubity. Do tego czasu czarny koń wygrał wyścig, ale nie cały wyścig.