Gorący tydzień w komputerach kwantowych: 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 oraz Quantinuum. To najnowszy z serii komunikatów o komputerach kwantowych. W ciągu czterech dni pojawiły się też plan Departamentu Energii USA i symulacja cząstek powstających z rozciągniętej struny energii.

Nieabelowe anyony nie leżą gotowe w przyrodzie. Powstają wewnątrz obwodu kwantowego, gdy splącze się wiele zwykłych kubitów tak długo, aż stan zbiorowy zaczyna zachowywać się jak nowy rodzaj cząstki rządzący się własnymi prawami.

Każdy anyon ma stan wewnętrzny, który zmienia się, gdy jeden anyon okrąży drugi. Ten proces nazywa się splataniem warkoczy, a kolejność ruchów ma znaczenie. Dzięki tej właściwości można kodować i przekształcać informację w sposób niedostępny dla zwykłych cząstek. Problem w 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 dość potężny”.

W nowym eksperymencie badacze przeszli na inną symetrię, S3, która opisuje obroty i odbicia lustrzane pozostawiające trójkąt równoboczny bez zmian. Pasujące anyony wytworzyli na procesorze H2 firmy Quantinuum, pułapkującym jony, z użyciem 54 splątanych kubitów. Układ S3 miał właściwości, których brakowało wersji D4, a zespół połączył splatanie warkoczy z fuzją, żeby dojść do pełnego uniwersalnego zbioru bramek.

„Pokazaliśmy tak zwany uniwersalny zbiór 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” – powiedział Verresen.

Poza fizyką liczy się koszt. Komputery kwantowe są podatne na błędy, więc informację rozprasza się po wielu fizycznych kubitach, żeby ją chronić. Te schematy korekcji błędów zachowują dane, ale zwykle nie dostarczają wszystkich operacji potrzebnych do uniwersalnych obliczeń. Inżynierowie wypełniają lukę specjalnie przygotowanymi „stanami magicznymi”, które wymagają intensywnego procesu destylacji, a ten potrafi pochłonąć dużą część dostępnych kubitów maszyny.

„Kody nieabelowe to czarny koń w wyścigu o kwantową korekcję błędów” – powiedział Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i kierownik naukowy monachijskiego biura Quantinuum, współautor badania. „W tej pracy pokazujemy pierwszy uniwersalny zbiór bramek w kodzie nieabelowym, co dowodzi, że obliczenia odporne na błędy można w zasadzie prowadzić bez uciekania się do destylacji albo hodowli stanów magicznych, czyli najdroższych operacji w standardowych kodach korekcji błędów”.

Do działającej maszyny droga jeszcze daleka, a artykuł to dowód zasady, nie produkt. Trafia jednak w tydzień, w którym cała dziedzina mówiła wyjątkowo głośno.

Plan, symulacja i chłodnia

27 września Fermilab opublikował raport SCAC Quantum Committee Departamentu Energii, „Path to an Integrated Quantum Future”. Dokument wyznacza trzyetapowy plan dojścia do naukowo istotnego, skorygowanego pod względem błędów komputera kwantowego do 2028 roku. Etap pierwszy trwa od 2026 do 2028 roku i obejmuje konkurencyjne „Quantum Grand Challenges”, łączące laboratoria narodowe, uczelnie i przemysł. Etap drugi zakłada powstanie DOE Quantum Computing User Facility, opisanej w raporcie jako otwarte narzędzie naukowe, a nie komercyjna usługa chmurowa. Etap trzeci, od 2030 roku, przewiduje koprocesory kwantowe, symulatory i czujniki wplecione w sieci AI i obliczeń wielkiej skali Departamentu Energii.

Raportem kierował podkomitet pod przewodnictwem Anny Grassellino, dyrektor ds. technologii Fermilabu, a wiceprzewodniczącym był Supratik Guha z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering. Fermilab podaje, że w prace wnieśli wkład setki 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 podało wieść o eksperymencie prowadzonym przez Duke University, opublikowanym 23 września w Nature Physics. Badacze zakodowali model zrywania struny w łańcuchu 13 uwięzionych jonów. Wiązkami lasera dostrajali oddziaływania między jonami, a potem obserwowali ewolucję układu poza równowagą.

Symulowany proces polega na tym, że dwa połączone elementy budulcowe materii rozciąga się tak długo, aż nagromadzi się dość energii, by w miejscu zerwanego połączenia pojawiły się nowe pary cząstek. Ten mechanizm miał działać w ekstremalnych warunkach krótko po Wielkim Wybuchu.

„Symulacje na komputerach kwantowych to najlepsza platforma do badania złożonych pytań, takich jak powstawanie materii, jeśli nie widziało się samego Wielkiego Wybuchu” – powiedział Christopher Monroe, który kierował badaniami na Duke University. 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 stanie się niezbędny dopiero wraz ze wzrostem trudności problemów.

IBM tymczasem zajmuje się instalacjami. Jego komunikat z 19 sierpnia, wciąż najnowsze ujawnienie firmy w tym zestawieniu, mówił o połączeniu i schłodzeniu dwóch kriogenicznych modułów w jednym środowisku, czyli o kroku ku łączeniu setek układów kwantowych. Moduły mają ponad 8 stóp wysokości i 8 stóp szerokości, a w niecałe pięć dni schłodzono je do 4 kelwinów, po czym zeszły poniżej 15 milikelwinów. IBM podaje, że osłona próżniowa każdego modułu daje do 12 razy więcej miejsca na okablowanie niż jego najczęściej używane systemy kwantowe. Plan firmy zakłada co najmniej 1 000 programowalnych kubitów do 2027 roku i maszynę odporną na błędy, IBM Quantum Starling, w 2029 roku.

Jeden z branżowych blogów, SemiEngineering, oszacował rynek elektroniki towarzyszącej na 41,8 procent złożonej rocznej stopy wzrostu w latach 2025–2030, powołując się na MarketsandMarkets, i przekonywał, że dokładne modele urządzeń w temperaturach kriogenicznych stają się wąskim gardłem skalowania. To post sponsorowany, nie recenzowane badanie, i tak trzeba go czytać.

Wzięte razem, te cztery wydarzenia dają nierówny obraz. Wynik z anyonami i symulacja Duke University to pokazy laboratoryjne z wyraźnymi zastrzeżeniami. Plan Departamentu Energii to plan, nie maszyna. Kriogeniczne moduły IBM to kamień milowy w produkcji, według harmonogramu, który innym już się wymykał. Tydzień pokazuje jedno: dziedzina napiera teraz na kilku frontach naraz, od matematyki egzotycznych cząstek po okablowanie wewnątrz chłodni.