Kubit z helu superpłynnego może obniżyć błędy o 100-krotnie, twierdzi zespół z Surrey

Proponowane urządzenie nosi nazwę Superfluid Helium Oscillator Quantum, czyli SHOQ. Według serwisu ScienceDaily, który 1 października poinformował o pracy zespołu z Surrey, konstrukcja wykorzystuje elektrycznie neutralny hel-3 w stanie superpłynnym do ekranowania informacji kwantowej przed szumem elektromagnetycznym. To pierwszy opisany projekt kubitu opartego na superpłynności.

To twierdzenie ma znaczenie, bo komputery kwantowe są kruche w sposób nudny i kosztowny. Kubity superprzewodzące, dominujące dziś w sprzęcie, są bardzo wrażliwe na szum elektromagnetyczny i błądzące ładunki elektryczne. To ten sam typ zakłóceń, przez które włosy przyklejają się do balonika. Małe zakłócenia potrafią wymieszać zapisane informacje, a problem staje się trudniejszy wraz ze wzrostem liczby kubitch.

Zespół Sharmy nie twierdzi o działającym urządzeniu. Twierdzi o projekcie ze specyfikacją.

„Matematyka mówi nam, że powinno to zadziałać. Wzięliśmy to, co już wiemy o helu superpłynnym i technologiach kwantowych, i przekształciliśmy to w przemyślony projekt, z parametrami i specyfikacją potrzebną do zbudowania takiego urządzenia. Kolejnym krokiem jest stworzenie prototypu i sprawdzenie tych prognoz w praktyce” – powiedziała dr Priya Sharma, Daphne Jackson Fellow w dziedzinie hybrydowych systemów kwantowych na Uniwersytecie w Surrey i główna autorka badania.

Propozycja pojawia się w momencie, gdy rządy, uczelnie i firmy rozwijają sprzęt kwantowy równolegle w kilku kierunkach. 27 września amerykański Departament Energii opublikował raport zatytułowany „SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future”, o czym poinformował Fermilab. Drogę napisała Anna Grassellino, główna technolożka Fermilab, wraz z wiceprzewodniczącym Supratikiem Guha, profesorem na Uniwersytecie w Chicago. Plan obejmuje trzy fazy: Wyzwania Wielkiego Projektu Kwantowego w latach 2026–2028, następnie urządzenie użytkowe do obliczeń kwantowych Departamentu Energii, a od 2030 roku integracja współprocesorów kwantowych i czujników z sieciami HPC i AI Departamentu Energii.

Głównym celem raportu jest naukowo istotny, skorygowany błędami komputer kwantowy do 2028 roku. Dokument wyraźnie stwierdza, że sukces należy mierzyć przydatnością naukową, a nie kamieniami milowymi sprzętowymi. Urządzenie Departamentu Energii nie powinno być komercyjną usługą chmurową typu „czarna skrzynka”.

Operacje uniwersalne i 25-letni problem pomiaru

Dwa inne niedawne wyniki pokazują, jak zróżnicowane stały się ścieżki do użytecznych obliczeń kwantowych. 25 września ScienceDaily doniosło, że badacze z Szkoły Inżynierii Molekularnej Pritzker na Uniwersytecie w Chicago, Harvardu, Stony Brook University i Quantinuum zademonstrowali uniwersalny zestaw bram używając anyonów nieprzemiennych na procesorze H2 Quantinuum z 54 splecionymi kubitchami. Praca opublikowana w Nature łączyła operacje splatania i fuzji.

Henrik Dreyer z Quantinuum opisał kody nieprzemienne jako „ciemnego konia w wyścigu o korekcję błędów kwantowych”. Stwierdził, że wynik ten pokazuje, że obliczenia odporne na błędy można w zasadzie wykonywać bez destylacji ani hodowli stanów magicznych, które nazwał najdroższymi operacjami w standardowej korekcji. Starszy eksperyment z 2024 roku na tym samym sprzęcie tworzył anyony związane z grupą symetrii D4, ale samo splatanie nie wystarczało do obliczeń uniwersalnych. Nowy bieg przełączył się na grupę symetrii S3, czyli obroty i odbicia lustrzane, które pozostawiają równoboczny trójkąt bez zmian.

Osobno, badacze z Uniwersytetu w Kioto i Uniwersytetu w Hiroshimie 29 września opisali metodę identyfikacji stanów W, formy splątania wielofotonowego. Ponad 25 lat po zaproponowaniu równoważnego pomiaru dla stanów GHZ, zespół zademonstrował to dla stanów W z trzech fotonów, jak wyjaśnił autor korespondujący Shigeki Takeuchi. Praca ta może znaleźć zastosowanie w teleportacji kwantowej i obliczeniach kwantowych opartych na pomiarze.

Żaden z tych wyników nie unieważnia pozostałych. Urządzenie SHOQ z Surrey to projekt, nie pomiar. Wynik Quantinuum to demonstracja eksperymentalna na istniejącym sprzęcie. Praca z Kioto to technika pomiarowa dla stanów fotonowych. Drogowa mapa Departamentu Energii to plan finansowania i infrastruktury.

Czego nadal potrzebuje projekt superpłynny

Zespół z Surrey twierdzi, że urządzenie SHOQ może ostatecznie działać równolegle ze sprzętem superprzewodzącym, zamiast go zastępować, lub służyć jako pamięć kwantowa podczas obliczeń na innych kubitchach. Współautor, dr Eran Ginossar, profesor nadzwyczajny w Instytucie Fizyki i Zaawansowanych Technologii na Uniwersytecie w Surrey, powiedział, że łączenie różnych technologii kwantowych może pozwolić badaczom wykorzystać mocne strony każdej z nich. Dodał, że hel superpłynny oferuje „fundamentalnie inny typ sprzętu kwantowego do eksploracji”.

Urządzenie będzie wymagało ekstremalnie niskich temperatur, ale badacze zauważają, że konieczne warunki osiągnięto już w poprzednich eksperymentach z helem-3 w stanie superpłynnym. Projektem kierował Uniwersytet w Surrey, we współpracy z profesorem Jensem Kochem z Northwestern University, który był zaangażowany w opracowanie transmona, projektu kubitu superprzewodzącego dziś powszechnie stosowanego. Prace nad prototypem Sharmy są wspierane przez stypendium IAA Commercialisation Fellowship.

Dopóki prototyp nie istnieje, liczba 100-krotna pozostaje prognozą z artykułu, a nie wynikiem pomiaru. To samo dotyczy historii integracji: projekt, który w zasadzie mógłby działać obok kubitch superprzewodzących, to nie to samo co taki, który tak robi.