Gorący tydzień informatyki kwantowej: uniwersalne anyony, plan DOE i materia z niczego

Wynik opisano w badaniu opublikowanym w Nature. Pracę przypisuje się University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, Harvardowi, Stony Brook University i Quantinuum. To najnowsze z serii ogłoszeń dotyczących informatyki kwantowej. W ciągu czterech dni pojawił się też plan Departamentu Energii USA oraz symulacja powstawania cząstek z rozciągniętej struny energii.

Nieabelowe anyony nie leżą gotowe w przyrodzie. Powstają wewnątrz obwodu kwantowego przez splątanie wielu zwykłych kubitów, aż stan zbiorowy zaczyna zachowywać się jak nowy rodzaj cząstki z własnymi regułami.

Każdy anyon ma stan wewnętrzny, który zmienia się, gdy jeden anyon okrąża drugi. Ten proces nazywa się splataniem warkoczy, a kolejność ruchów ma znaczenie. Dzięki tej własności informację można kodować i przetwarzać tak, jak nie potrafią zwykłe cząstki. Problem wcześniejszych prac polegał na tym, że samo splatanie warkoczy nie wystarczało. W 2024 roku zespół z Rubenem Verresenem z UChicago PME zbudował anyony związane z grupą symetrii D4 na maszynie Quantinuum, ale ten układ nie potrafił wykonać każdej operacji potrzebnej uniwersalnemu komputerowi kwantowemu.

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

W nowym eksperymencie badacze przeszli na inną symetrię, S3. Opisuje ona obroty i odbicia lustrzane, które pozostawiają trójkąt równoboczny bez zmian. Odpowiednie anyony badacze utworzyli w pułapkowym procesorze jonowym Quantinuum H2, używając 54 splątanych kubitów. Układ S3 miał własności, których brakowało wersji D4. Zespół połączył splatanie warkoczy z fuzją i uzyskał pełny uniwersalny zestaw bramek.

„Pokazaliśmy tak zwany uniwersalny zestaw bramek, co znaczy, że jeśli przechowujesz informację w tych wyłaniających się wersjach kwarków i przesuwasz je, możesz wykonać dowolne obliczenie kwantowe, jakie chcesz” – powiedział Verresen.

Poza fizyką liczy się koszt. Komputery kwantowe są podatne na błędy, więc informację rozprasza się po wielu kubitach fizycznych, żeby ją chronić. Schematy korekcji błędów zachowują dane, ale zwykle nie dostarczają wszystkich operacji potrzebnych do uniwersalnych obliczeń. Inżynierowie wypełniają lukę specjalnie przygotowanymi „stanami magicznymi”. Ich destylacja jest intensywna i może pochłonąć dużą część dostępnych kubitów maszyny.

„Kody nieabelowe są czarnym koniem w wyścigu o kwantową korekcję błędów” – powiedział Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i lider naukowy monachijskiego biura Quantinuum, współautor badania. „W tej pracy pokazujemy pierwszy uniwersalny zestaw bramek w kodzie nieabelowym. Dowodzi to, że obliczenia odporne na błędy można w zasadzie prowadzić bez uciekania się do destylacji lub kultywacji stanów magicznych, czyli najdroższych operacji w standardowych kodach korekcji błędów”.

Do działającej maszyny droga jest daleka, a artykuł jest dowodem zasady, nie produktem. Mimo to trafia w tydzień, w którym cała dziedzina była wyjątkowo głośna.

Plan, symulacja i lodówka

27 września Fermilab opublikował raport SCAC Quantum Committee Departamentu Energii, „Path to an Integrated Quantum Future”. Wyznacza on trzystopniowy plan dojścia do naukowo istotnego, skorygowanego o błędy komputera kwantowego do 2028 roku. Pierwszy etap trwa od 2026 do 2028 roku i obejmuje konkursowe „Quantum Grand Challenges”, łączące laboratoria narodowe, uczelnie i przemysł. Drugi etap ustanowiłby DOE Quantum Computing User Facility, opisany w raporcie jako otwarty instrument naukowy, a nie komercyjna usługa chmurowa. Trzeci etap, od 2030 roku, przewiduje koprocesory kwantowe, symulatory i czujniki wplecione w sieci AI i obliczeń wielkiej skali Departamentu Energii.

Raportem kierowała podkomisja pod przewodnictwem Anny Grassellino, dyrektor ds. technologii Fermilabu. Wiceprzewodniczącym był Supratik Guha z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering. Fermilab podaje, że proces zebrał wkład od setek osób z laboratoriów narodowych, środowiska akademickiego, przemysłu i agencji federalnych. Raport podkreśla też neutralność technologiczną i nie wskazuje zwycięskiego typu kubitu.

Dwa dni wcześniej, 26 września, ScienceDaily doniósł o eksperymencie pod kierownictwem Duke, opublikowanym 23 września w Nature Physics. Badacze zakodowali model rozrywania struny w łańcuchu 13 uwięzionych jonów. Za pomocą wiązek laserowych dostrajali oddziaływania między jonami, a następnie obserwowali ewolucję układu poza równowagą.

Symulowany proces polega na rozciąganiu dwóch połączonych cegiełek materii, aż nagromadzi się dość energii, by w miejscu zerwania połączenia pojawiły się nowe pary cząstek. To mechanizm, który według badaczy działał w ekstremalnych warunkach krótko po Wielkim Wybuchu.

„Symulacje na komputerach kwantowych dają najlepszą platformę do badania złożonych pytań, takich jak powstawanie materii, jeśli nie widziało się samego Wielkiego Wybuchu” – powiedział Christopher Monroe, który kierował badaniami w Duke. Zespół porównał wynik kwantowy z obliczeniem klasycznym i oba się zgodziły. Badacze zaznaczają, że maszyny klasyczne wciąż radzą sobie z symulacjami w tej skali, a sprzęt kwantowy ma stać się konieczny dopiero przy większych problemach.

IBM tymczasem pracuje nad zapleczem. Ogłoszenie z 19 sierpnia, wciąż najnowsze w tym zestawieniu, mówiło, że firma połączyła i schłodziła dwa kriogeniczne moduły w jednym środowisku. To krok do łączenia setek układów kwantowych. Moduły mają ponad 8 stóp wysokości i 8 stóp szerokości. Schłodzenie do 4 kelwinów zajęło mniej niż pięć dni, zanim temperatura spadła poniżej 15 milikelwinów. IBM podaje, że obudowa próżniowa każdego modułu daje do 12 razy więcej miejsca na okablowanie niż najczęściej używane systemy kwantowe firmy. Plan IBM zakłada co najmniej 1 000 programowalnych kubitów do 2027 roku oraz maszynę odporną na błędy, IBM Quantum Starling, w 2029 roku.

Jeden z branżowych blogów, SemiEngineering, podał, że rynek elektroniki wspierającej będzie rósł o 41,8 procent rocznie w latach 2025–2030, powołując się na MarketsandMarkets. Przekonywał też, że dokładne modele urządzeń w temperaturach kriogenicznych stają się wąskim gardłem skalowania. To wpis sponsorowany, a nie recenzowane badanie, i tak należy go czytać.

Zestawione razem cztery wydarzenia dają nierówny obraz. Wynik z anyonami i symulacja Duke to demonstracje laboratoryjne z wyraźnymi zastrzeżeniami. Plan Departamentu Energii jest planem, nie maszyną. Kriogeniczne moduły IBM to kamień milowy produkcji w harmonogramie, który innym już się przesuwał. Tydzień pokazuje jedno: dziedzina napiera teraz na kilku frontach naraz, od matematyki egzotycznych cząstek po okablowanie wewnątrz lodówki.