Nieabelowe anyony dały uniwersalny zestaw bramek, plan DOE wyznacza termin na 2028 rok

Wynik jest ważny, bo uniwersalna obliczalność kwantowa była dotąd głównie obietnicą zwykłych kubitów. Te przechowują informację w dwóch stanach i ich kwantowych mieszaninach. Nieabelowe anyony są inne. W przyrodzie nie występują jako samodzielne cząstki. Naukowcy budują je wewnątrz układów: splątują wiele konwencjonalnych kubitów w stan zbiorowy, który rządzi się własnymi regułami.

„Pokazaliśmy tak zwany uniwersalny zestaw bramek, co znaczy, że jeśli przechowujesz informację w tych wyłaniających się wersjach kwarków i przenosisz je z miejsca na miejsce, możesz wykonać dowolne obliczenie kwantowe, jakie chcesz” — powiedział Ruben Verresen, adiunkt inżynierii molekularnej w Pritzker School of Molecular Engineering na Uniwersytecie Chicagowskim i współautor badania. Cytat pochodzi z artykułu ScienceDaily o tej pracy.

W prace zaangażowani byli badacze z UChicago PME, Harvardu, Stony Brook University i Quantinuum. Zespół przeszedł na grupę symetrii S3, czyli obroty i odbicia lustrzane, które nie zmieniają trójkąta równobocznego, i wytworzył odpowiadające im anyony na procesorze pułapkowym H2 firmy Quantinuum.

Dlaczego liczy się fuzja, a nie tylko splatanie

Dwa lata temu zespół, w którym był Verresen, użył komputera pułapkowego Quantinuum, żeby wytworzyć anyony związane z inną grupą symetrii, D4. Ta grupa opisuje obroty i odbicia, które nie zmieniają kwadratu. Eksperyment z 2024 roku pokazał, że cząstki da się tworzyć i manipulować nimi. Nie pokazał, że samo splatanie wystarczy do wykonania każdej operacji, jakiej potrzebuje uniwersalna maszyna.

„W tamtej pracy nie wykazaliśmy, że te wyłaniające się siły wystarczą do obliczeń kwantowych” — powiedział Verresen. „Ten konkretny wszechświat, który stworzyliśmy, nie był dość potężny”.

Nowy eksperyment łączy splatanie z fuzją, czyli scalaniem anyonów, żeby objąć pełny zakres operacji. To właśnie tę lukę techniczną praca ma zamykać. ScienceDaily opisuje to podejście jako potencjalnie wydajniejsze od standardowej drogi. Standardowa droga opiera się na stanach magicznych wytwarzanych przez destylację, etap oczyszczania, który pochłania dużą część kubitów maszyny.

„Kody nieabelowe to czarny koń w wyścigu o korekcję błędów kwantowych” — powiedział Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i lider naukowy monachijskiego biura Quantinuum oraz współautor badania.

Wypowiedź Dreyera, również przytoczona przez ScienceDaily, idzie dalej. Praca pokazuje jego zdaniem, że obliczenia odporne na błędy można co do zasady prowadzić bez destylacji ani hodowli stanów magicznych. To najdroższe operacje w standardowych kodach korekcji błędów kwantowych. ScienceDaily opublikowało swoją relację 27 września.

DOE chce użyteczności naukowej do 2028 roku

Ten sam weekend przyniósł dokument polityczny z wpisanym terminem. Fermilab ogłosił 27 września, że Departament Energii wydał krajową mapę drogową obliczeń kwantowych. Napisała ją podkomisja Office of Science Advisory Committee pod przewodnictwem Anny Grassellino, dyrektor ds. technologii Fermilabu. Wiceprzewodniczącym był Supratik Guha, profesor Uniwersytetu Chicagowskiego.

Raport pod tytułem „SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future” wyznacza trzy fazy. Faza I trwa od 2026 do 2028 roku i stawia konkurencyjne, multidyscyplinarne wyzwania łączące laboratoria narodowe, uczelnie i przemysł. Faza II przewiduje DOE Quantum Computing User Facility, które raport opisuje jako otwarty instrument naukowy, a nie komercyjną usługę chmurową. Faza III, od 2030 roku, zakłada koprocesory kwantowe, symulatory i czujniki wplecione w sieci AI i obliczeń wielkiej skali DOE.

Deklarowany cel to nie największy komputer kwantowy, ale problemy, których inaczej nie da się rozwiązać: przewidywanie właściwości cząsteczek na potrzeby odkrywania leków, projektowanie katalizatorów, symulowanie materiałów istotnych dla fuzji i modelowanie fizyki wczesnego wszechświata. W ogłoszeniu Fermilabu czytamy, że mapa ma doprowadzić do pokazania naukowo istotnego, korygowanego błędami komputera kwantowego do 2028 roku.

Sprzęt i modelowanie idą naprzód pod spodem

IBM poinformował 19 sierpnia, że połączył i schłodził dwa moduły kriogeniczne w jednym środowisku. To krok do łączenia setek układów kwantowych. Według komunikatu IBM moduły mają ponad 8 stóp wysokości i 8 stóp szerokości, schładzają się do 4 kelwinów w niecałe pięć dni, a chwilę później osiągają poniżej 15 milikelwinów. IBM podaje, że konstrukcja daje do 12 razy więcej miejsca na okablowanie niż jego najczęściej używane systemy kwantowe, i powtarza cel z mapy drogowej: maszynę odporną na błędy, IBM Quantum Starling, w 2029 roku.

„Udane połączenie i uruchomienie tych modułów kriogenicznych to skok naprzód w tym kierunku” — powiedział Jay Gambetta, dyrektor IBM Research i IBM Fellow, w komunikacie. IBM zapowiada, że w tym roku zainstaluje w modułach procesory Nighthawk.

Dalej od nagłówków, sponsorowany wpis na SemiEngineering z 24 września opisuje inne wąskie gardło: elektronikę sterującą i odczytującą, która przy temperaturach kriogenicznych leży obok płytek z kubitami. Wpis firmy Keysight podaje 41,8% złożonego rocznego wskaźnika wzrostu dla rynku obliczeń kwantowych w latach 2025–2030, powołując się na MarketsandMarkets. Opisuje też podejście hybrydowe: dopasowuje model kompaktowy BSIM-BULK w temperaturze pokojowej, a potem uczy sieci neuronowe resztowego zachowania w 4 kelwinach, którego model fizyczny nie obejmuje.

To problemy inżynieryjne, nie ogłoszenia. One zdecydują, czy cokolwiek z powyższego pojawi się na czas.

Materiał nie podaje, kiedy praca z Nature ukazała się online, tylko że ScienceDaily opisało ją 27 września. Nie podaje też wskaźnika błędów dla demonstracji na 54 kubitach. Praktyczny dystans między uniwersalnym zestawem bramek na H2 a użyteczną maszyną pozostaje tu nieokreślony. Cel na 2028 rok z mapy DOE to kamień milowy dla użyteczności naukowej, a nie twierdzenie, że taka maszyna istnieje dziś.