Czarny koń informatyki kwantowej z uniwersalnym zestawem bramek. DOE wyznacza termin na 2028 rok

Wynik pochodzi z Pritzker School of Molecular Engineering Uniwersytetu Chicagowskiego, Harvardu, Stony Brook University i Quantinuum. Pracę opisało ScienceDaily 25 września, a sama trafiła do Nature. Zespół wytworzył i kontrolował nieabelowe anyony w 54-kubitowym obwodzie z pułapką jonową. Następnie połączył dwie operacje, splatanie i fuzję, i pokazał, że takie podejście udźwignie dowolny algorytm kwantowy.

To ma znaczenie, bo komputery kwantowe są kruche. Inżynierowie zwykle chronią informację, rozpraszając ją po wielu fizycznych kubitach, ale kody z korekcją błędów nie dostarczają wszystkich operacji potrzebnych do ogólnych obliczeń. Standardowe obejście to przygotowanie specjalnych „stanów magicznych” w procesie oczyszczania zwanym destylacją. Taki proces potrafi pochłonąć dużą część kubitów maszyny.

„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 Ruben Verresen, adiunkt inżynierii molekularnej w UChicago PME i współautor, cytowany przez ScienceDaily.

Nieabelowych anyonów nie znajdzie się jako samodzielnych cząstek. Naukowcy budują je, splatając wiele zwykłych kubitów w stan zbiorowy, który zachowuje się jak nowa cząstka z własnymi regułami. Każdy anyon niesie stan wewnętrzny, który zmienia się, gdy jeden anyon okrąża drugi, a kolejność tych ruchów przenosi informację. W 2024 roku zespół z Verresenem w składzie wytworzył anyony związane z grupą symetrii D4 na maszynie Quantinuum, ale samo splatanie nie wystarczyło do wszystkich operacji.

„Kody nieabelowe to czarny koń wyścigu o korekcję błędów kwantowych” – powiedział Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i kierownik naukowy monachijskiego biura Quantinuum, współautor pracy. „W tej pracy pokazujemy pierwszy uniwersalny zestaw bramek w kodzie nieabelowym, co dowodzi, że obliczenia odporne na błędy można w zasadzie prowadzić bez uciekania się do destylacji ani kultywacji stanów magicznych”.

Nowy eksperyment przeszedł na grupę symetrii S3, czyli obroty i odbicia, które zostawiają trójkąt równoboczny bez zmian, i działał na 54 splątanych kubitach. Przegląd ScienceDaily z 27 września wymienia tę pracę wśród tygodniowych nowości z informatyki kwantowej.

Waszyngton wyznacza datę dla użytecznych maszyn

27 września Fermilab opublikował raport Komitetu Kwantowego SCAC Departamentu Energii, „Path to an Integrated Quantum Future”. Raport przygotował podkomitet pod przewodnictwem Anny Grassellino, dyrektor ds. technologii w Fermilab, a wiceprzewodniczącym był profesor Uniwersytetu Chicagowskiego Supratik Guha. Dokument wyznacza drogę opartą na kamieniach milowych, która ma doprowadzić do naukowo istotnego komputera kwantowego z korekcją błędów do 2028 roku, i szkicuje długoterminową wizję dedykowanego ośrodka Quantum Computing User Facility.

Jego trzy fazy biegną od konkurencyjnych „Quantum Grand Challenges” w latach 2026–2028, przez planowanie ośrodka użytkowego, po zintegrowaną przyszłość kwantową od 2030 roku. Dokument przekonuje, że o sukcesie powinna decydować użyteczność naukowa, a nie liczba kubitów, i że DOE powinien zachować neutralność technologiczną.

Mapy drogowe branży już zbiegają się w podobnych terminach. IBM podał 19 sierpnia, że połączył i schłodził dwa kriogeniczne moduły w jednym środowisku, co jest krokiem do łączenia setek układów kwantowych. Moduły mają ponad 8 stóp wysokości i szerokości, schładzają się do 4 kelwinów w niecałe pięć dni i wkrótce potem osiągają poniżej 15 milikelwinów, podała firma. IBM planuje połączyć wiele procesorów w maszynę z co najmniej 1 000 programowalnych kubitów do 2027 roku, na drodze do odpornego na błędy IBM Quantum Starling w 2029 roku.

Liczba kubitów logicznych też rośnie. Interesting Engineering podał, że maszyna Sqale firmy Infleqtion pokazała 30 splątanych kubitów logicznych na 80 kubitach fizycznych. Według firmy czyni ją to pierwszym systemem atomów neutralnych, który osiągnął ten poziom na platformie komercyjnej. Prezes Matt Kinsella powiedział, że firma celuje w 100 kubitów logicznych do 2028 roku.

Symulacja i orbita

Sprzęt kwantowy trafia też do problemów fizycznych. ScienceDaily poinformował 26 września, że zespół z Duke użył 13-jonowego symulatora kwantowego do odtworzenia rozrywania strun, procesu związanego z powstawaniem cząstek we wczesnym wszechświecie. Praca ukazała się 23 września w Nature Physics. Christopher Monroe, który kierował badaniami, powiedział, że symulacje kwantowe dają najlepszą dostępną platformę do badania powstawania materii, dopóki nie da się zobaczyć Wielkiego Wybuchu.

Poza laboratorium The Next Web podał 28 września, że indyjska firma TakeMe2Space wystrzeli satelitę MOI-1A na lot SpaceX w ramach programu rideshare 1 października. Firma nazywa go pierwszym indyjskim satelitą obliczeniowym na orbicie. Na pokładzie są chipsety brzegowe Nvidia Orin NX i około 150 watów mocy, a zapisanych jest 23 klientów. Zastępuje on MOI-1, utracony 12 stycznia, gdy zawiódł trzeci stopień rakiety PSLV-C62 agencji ISRO.

Oba wątki, lepsza korekcja błędów i terminy wspierane przez rząd, mają teraz wspólny kalendarz. Otwarte pozostaje pytanie, czy fizyka zdąży na ten harmonogram.