Dwa kroki w obliczeniach kwantowych w trzy dni: uniwersalne bramki i plan DOE

Dwie zmiany pojawiły się w odstępie zaledwie 25 godzin. 27 września serwis ScienceDaily poinformował, że zespół z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, Harvard, Stony Brook University i Quantinuum zaprezentował zestaw uniwersalnych bramek używający nieabelowych anyonów na procesorze H2 z pułapką jonową od Quantinuum. Tego samego dnia Fermilab opublikował krajowy plan drogowy Departamentu Energii w sprawie obliczeń kwantowych, nad którym pracowała podkomisja Komitetu Doradczego Biura Nauki.

Oba doniesienia dotyczą kierunku, a nie gotowych maszyn. Pierwsze mówi o drodze do korekcji błędów. Drugie o tym, jak rząd USA zamierza mierzyć postępy na tej drodze.

Co zostało faktycznie zaprezentowane

Wynik recenzowany przez parów, opublikowany w Nature zgodnie z relacją ScienceDaily, użył 54 splątanych kubitów do stworzenia anyonów powiązanych z grupą symetrii nazwaną S3, czyli obrotami i odbiciami, które pozostawiają trójkąt równoboczny bez zmian. Łącząc dwie operacje, splatanie (braiding) i fuzję, zespół uzyskał to, co współautor Ruben Verresen, adiunkt w UChicago PME, określił jako zestaw uniwersalnych bramek.

Zaprezentowaliśmy tak zwany zestaw uniwersalnych bramek, co oznacza, że jeśli przechowujesz informacje w tych emergentnych wersjach kwarków i przesuwasz je, możesz wykonać dowolne obliczenie kwantowe, jakie tylko chcesz.

Sformułowanie ma znaczenie. Nieabelowe anyony nie występują w naturze jako samodzielne cząstki. Tworzy się je wewnątrz obwodu kwantowego, splatając wiele zwykłych kubitów w stan zbiorczy, który zachowuje się jak nowa cząstka z własnymi regułami. W 2024 roku zespół z Verresenem użył maszyny z pułapką jonową Quantinuum, aby stworzyć anyony powiązane z inną grupą symetrii, D4. Samo splatanie tych anyonów nie wystarczało do uniwersalnych obliczeń. Nowa praca przechodzi na S3 i dodaje fuzję.

Tu leży praktyczny argument. Komputery kwantowe są podatne na błędy, więc informacje rozkłada się zwykle na wielu fizycznych kubitach. Kody korekcyjne chronią dane, ale typowo nie dostarczają wszystkich operacji potrzebnych do uniwersalnych obliczeń na chronionych informacjach. Inżynierowie zapełniają tę lukę stanami magicznymi, które wymagają kosztownego etapu oczyszczania zwanego destylacją. Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i lider naukowy w biurze Quantinuum w Monachium, powiedział w relacji ScienceDaily, że wynik pokazuje, iż obliczenia odporne na błędy można w zasadzie wykonywać bez destylacji lub hodowania stanów magicznych.

Nagłówek ScienceDaily nazywa nieabelowe anyony ciemnym koniem. Dreyer użył tego samego zwrotu. Traktuj to jako argument pozycjonujący od ludzi zainteresowanych podejściem, a nie jako konsensus w branży.

Plan drogowy i jego kamienie milowe

Raport DOE, „SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future”, stawia cel oparty na kamieniach milowych: zaprezentowanie naukowo istotnego, skorygowanego kwantowego komputera do 2028 roku. Fermilab informuje, że podkomisją kierowała Anna Grassellino, główna technolog w Fermilab, a wiceprzewodniczącym był Supratik Guha z UChicago PME. Proces konsultacji obejmował laboratoria krajowe, akademię, przemysł i agencje federalne, z udziałem setek współtwórców.

Dokument proponuje trzy fazy. Faza I trwa od 2026 do 2028 roku i ustanawia konkurencyjne Grand Challenges, łączące laboratoria krajowe, uczelnie i przemysł wokół konkretnych celów naukowych. Faza II planuje i buduje Urządzenie do Obliczeń Kwantowych DOE, opisane w raporcie jako otwarty instrument naukowy, a nie komercyjna usługa chmurowa. Faza III, od 2030 roku, zakłada kwantowe procesory współdziałające, symulatory i czujniki zintegrowane z istniejącą infrastrukturą DOE do sztucznej inteligencji i obliczeń wysokiej wydajności.

Zadeklarowaną miarą sukcesu jest użyteczność naukowa, a nie liczba kubitów. Raport wymienia przewidywanie właściwości cząsteczek dla odkrywania leków, projektowanie katalizatorów, symulację materiałów związanych z fuzją i modelowanie fizyki wczesnego wszechświata jako cele. Zobowiązuje się też do neutralności technologicznej co do sprzętu, co warto odnotować w kontekście finansowanych obecnie rywalizujących podejść.

Sprzęt pod spodem

Żaden z tych punktów nie miałby znaczenia bez elektroniki chłodniczej i sterującej wokół kubitów. IBM poinformował 19 sierpnia, że połączył i schłodził dwa moduły kriogeniczne w jedno środowisko, co jest krokiem w kierunku łączenia setek chipów kwantowych. Firma twierdzi, że moduły osiągają temperatury poniżej 15 milikelwinów i są zaprojektowane dla technologii L-coupler, która łączy osobne procesory kwantowe. Plan IBM celuje w 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 działanie modułów skokiem naprzód w tym kierunku. To oświadczenie firmy dotyczące jej własnego planu, a cel na 2029 roku pozostaje nieudowodniony.

Istnieje też mniej widoczny problem modelowania elektroniki towarzyszącej kubitom. Sponsorowany blog opublikowany przez Semiconductor Engineering 24 września opisuje workflow do ekstrakcji kompaktowych modeli urządzeń w temperaturze pokojowej, a następnie używania hybrydowych sieci neuronowych do nauki resztkowego zachowania kriogenicznego poniżej 4 kelwinów. Cytuje 41,8% złożoną stopę wzrostu rocznie dla rynku obliczeń kwantowych od 2025 do 2030 roku, według MarketsandMarkets. Materiał sponsorowany przez producenta, a dane rynkowe pochodzą od jednej firmy badawczej, więc traktuj oba z ostrożnością.

Czego obserwować

• Czy wynik S3 zostanie odtworzony na innym sprzęcie i ile fizycznych kubitów faktycznie zużywa pełna operacja.
• Kto wygra Grand Challenges w Fazie I i czy cel na 2028 roku przetrwa kontakt z budżetami.
• Instalacje procesora IBM Nighthawk w modułach kriogenicznych, planowane na późniejszy okres tego roku.
• Czy neutralność technologiczna DOE utrzyma się, gdy zaczną się przetargi.

Te trzy wątki jeszcze się nie spotkały. Zestaw uniwersalnych bramek na 54 kubitach to wynik laboratoryjny. Plan drogowy to plan. Moduły kriogeniczne to inżynieria. Luka między nimi to historia, i nie zamyka się według harmonogramu, który ktokolwiek opublikował.