Dwa przełomy kwantowe w trzy dni: bramki uniwersalne i plan DOE

Dwie wiadomości pojawiły się w odstępie mniej więcej 25 godzin. 27 września ScienceDaily podało, że zespół z Pritzker School of Molecular Engineering na Uniwersytecie Chicagowskim, Harvardu, Stony Brook University i Quantinuum pokazał zestaw bramek uniwersalnych z użyciem anyonów nieabelowych na procesorze uwięzionych jonów H2 firmy Quantinuum. Tego samego dnia Fermilab opublikował krajowy plan rozwoju informatyki kwantowej Departamentu Energii, przygotowany pod kierunkiem podkomisji Rady Doradczej Biura Nauki.

Oba komunikaty mówią o kierunku, nie o gotowych maszynach. Pierwszy dotyczy drogi do korekcji błędów. Drugi tego, jak rząd USA zamierza mierzyć postęp na tej drodze.

Co właściwie pokazano

Recenzowany wynik, opublikowany w Nature, jak podaje ScienceDaily, powstał na 54 splątanych kubitach. Zespół wytworzył anyony związane z grupą symetrii S3, czyli obrotami i odbiciami, które nie zmieniają trójkąta równobocznego. Łącząc dwie operacje, splatanie i fuzję, uzyskał to, co współautor Ruben Verresen, adiunkt na UChicago PME, nazwał zestawem bramek uniwersalnych.

Pokazaliśmy tak zwany zestaw bramek uniwersalnych, co oznacza, że jeśli przechowujesz informację w tych wyłaniających się wersjach kwarków i przesuwasz je, możesz wykonać dowolne obliczenie kwantowe, jakie chcesz.

To sformułowanie ma znaczenie. Anyonów nieabelowych nie ma w przyrodzie jako samodzielnych cząstek. Powstają wewnątrz obwodu kwantowego, gdy wiele zwykłych kubitów splątuje się w stan zbiorowy, który zachowuje się jak nowa cząstka rządząca się własnymi regułami. W 2024 roku zespół z udziałem Verresena użył maszyny Quantinuum z uwięzionymi jonami, żeby wytworzyć anyony związane z inną grupą symetrii, D4. Samo splatanie tych anyonów nie wystarczało do obliczeń uniwersalnych. Nowa praca przechodzi na S3 i dodaje fuzję.

Tu pojawia się argument praktyczny. Komputery kwantowe są podatne na błędy, więc informację zwykle rozprasza się po wielu kubitach fizycznych. Kody korekcji błędów chronią dane, ale zazwyczaj nie dostarczają wszystkich operacji potrzebnych do uniwersalnych obliczeń na chronionej informacji. Inżynierowie wypełniają lukę stanami magicznymi, które wymagają kosztownego oczyszczania zwanego destylacją. Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i lider naukowy monachijskiego biura Quantinuum, powiedział w relacji ScienceDaily, że wynik pokazuje, iż obliczenia odporne na błędy można w zasadzie prowadzić bez destylacji ani kultywacji stanów magicznych.

Nagłówek ScienceDaily nazywa anyony nieabelowe czarnym koniem. Dreyer użył tego samego określenia. To deklaracja pozycjonująca ludzi zainteresowanych podejściem, nie zgoda całego środowiska.

Plan i jego kamienie milowe

Raport DOE, "SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future", wyznacza cel oparty na kamieniach milowych: pokazanie naukowo istotnego komputera kwantowego z korekcją błędów do 2028 roku. Fermilab podaje, że podkomisji przewodniczyła Anna Grassellino, dyrektor ds. technologii Fermilabu, a wiceprzewodniczącym był Supratik Guha z UChicago PME. W prace zaangażowano laboratoria narodowe, uczelnie, przemysł i agencje federalne, a wkład wniosło setki osób.

Dokument proponuje trzy fazy. Faza I trwa od 2026 do 2028 roku i ustanawia konkurencyjne Wielkie Wyzwania, które łączą laboratoria narodowe, uczelnie i przemysł wokół konkretnych celów naukowych. Faza II zakłada zaplanowanie i budowę DOE Quantum Computing User Facility, opisanej w raporcie jako otwarty instrument naukowy, a nie komercyjna usługa chmurowa. Faza III, od 2030 roku, przewiduje koprocesory kwantowe, symulatory i czujniki włączone do istniejącej infrastruktury AI i obliczeń wielkiej skali DOE.

Podaną miarą sukcesu jest użyteczność naukowa, nie liczba kubitów. Raport wymienia przewidywanie właściwości cząsteczek na potrzeby odkrywania leków, projektowanie katalizatorów, symulowanie materiałów istotnych dla fuzji i modelowanie fizyki wczesnego wszechświata jako problemy docelowe. Zobowiązuje się też do neutralności technologicznej wobec sprzętu, co warto odnotować, biorąc pod uwagę konkurencyjne podejścia, które teraz dostają finansowanie.

Sprzęt pod spodem

Ani jedno, ani drugie nie znaczyłoby wiele bez chłodzenia i elektroniki sterującej wokół kubitów. IBM podał 19 sierpnia, że połączył i schłodził dwa moduły kriogeniczne w jednym środowisku, co jest krokiem do łączenia setek układów kwantowych. Firma twierdzi, że moduły osiągają poniżej 15 milikelwinów i są projektowane pod technologię L-coupler, która łączy osobne procesory kwantowe. Plan IBM zakłada co najmniej 1 000 programowalnych kubitów do 2027 roku i system odporny na błędy, IBM Quantum Starling, w 2029 roku.

Jay Gambetta, dyrektor IBM Research, nazwał połączenie i uruchomienie modułów skokiem naprzód w tym kierunku. To oświadczenie firmy o jej własnym planie, a cel na 2029 rok pozostaje nieudowodniony.

Jest też mniej widoczny problem modelowania elektroniki, która stoi obok kubitów. Sponsorowany blog opublikowany przez Semiconductor Engineering 24 września opisuje metodę wyodrębniania zwartych modeli przyrządów w temperaturze pokojowej i uczenia hybrydowych sieci neuronowych resztkowego zachowania kriogenicznego poniżej 4 kelwinów. Podaje 41,8% skumulowanego rocznego tempa wzrostu rynku obliczeń kwantowych w latach 2025 do 2030, powołując się na MarketsandMarkets. To materiał sponsorowany przez dostawcę, a dane rynkowe pochodzą od jednej firmy badawczej, więc oba trzeba traktować ze zwykłą ostrożnością.

Na co patrzeć

• Czy wynik dla S3 zostanie odtworzony na innym sprzęcie i ile kubitów fizycznych zużywa cała operacja.
• Kto wygra Wielkie Wyzwania fazy I i czy cel na 2028 rok przetrwa zderzenie z budżetami.
• Instalacje procesora Nighthawk firmy IBM w modułach kriogenicznych, planowane na później w tym roku.
• Czy neutralne technologicznie sformułowania DOE utrzymają się, gdy zaczną się zakupy.

Te trzy wątki jeszcze się nie schodzą. Zestaw bramek uniwersalnych na 54 kubitach to wynik laboratoryjny. Plan to plan. Moduły kriogeniczne to inżynieria. Opowieścią jest luka między nimi, a nie zamyka się w terminie, który ktokolwiek opublikował.