Universalność, mapa DOE i chłodzenie IBM. Tydzień dostaw w komputerach kwantowych

Wynik pojawił się w ten sam weekend, w którym amerykański Departament Energii opublikował krajową mapę drogową. Dokument przekonuje, że dziedzina powinna przestać liczyć kubity, a zacząć dowodzić użyteczności naukowej. Oba materiały są w dossier datowane na 27 września i oba mierzą w ten sam problem: co komputer kwantowy musi zrobić, zanim ktokolwiek nazwie go użytecznym.

Zgodnie z opisem prac Uniwersytetu Chicagowskiego w ScienceDaily zespół wytworzył nieabelowe anyony powiązane z grupą symetrii S3, czyli obrotami i odbiciami lustrzanymi, które nie zmieniają trójkąta równobocznego. Na pułapkowym procesorze jonowym H2 firmy Quantinuum splątał 54 kubity. Samo splatanie nie wystarczyło. Badacze połączyli splatanie z fuzją, żeby uzyskać pełny zestaw operacji. Praca ukazała się w Nature. To kamień milowy techniczny, nie zapowiedź produktu, a rozróżnienie ma znaczenie dla odczytania wyniku.

„Zademonstrowaliśmy tak zwany uniwersalny zbiór bramek, co oznacza, że jeśli przechowujesz informację w tych emergentnych wersjach kwarków i przenosisz je z miejsca na miejsce, możesz wykonać dowolne obliczenie kwantowe, jakie chcesz” – powiedział Ruben Verresen, adiunkt inżynierii molekularnej w UChicago PME i współautor.

To mocna teza i badacze ostrożnie zaznaczają, czego dotyczy, a czego nie. Eksperyment z 2024 roku, przeprowadzony przez ten sam zespół z grupą symetrii D4 na sprzęcie Quantinuum, pokazał, że anyony można wytworzyć i przenosić. Nie potrafił jednak wykonać każdej operacji. Verresen ujął to wprost: „Ten konkretny wszechświat, który stworzyliśmy, nie był wystarczająco potężny”. System S3, na 54 kubitach, był.

Dlaczego problem stanów magicznych ma znaczenie

Korekcja błędów to powód, dla którego ta linia badań w ogóle istnieje. Komputery kwantowe łatwo tracą informację, więc inżynierowie rozkładają jeden kubit logiczny na wiele fizycznych. To chroni dane, ale zwykle nie daje wszystkich potrzebnych operacji. Żeby zapełnić lukę, zespoły przygotowują tak zwane stany magiczne, a ich wytworzenie wymaga procesu oczyszczania zwanego destylacją, który potrafi pochłonąć dużą część kubitów maszyny.

Henrik Dreyer z Quantinuum, dyrektor zarządzający i lider naukowy monachijskiego biura firmy, przedstawił w tym samym tekście ScienceDaily kody nieabelowe jako alternatywną drogę. „Kody nieabelowe to czarny koń w wyścigu o kwantową korekcję błędów” – powiedział, dodając, że praca pokazuje, iż „obliczenia odporne na błędy można w zasadzie prowadzić bez uciekania się do destylacji lub kultywacji stanów magicznych, które są najdroższymi operacjami w standardowych kodach korekcji błędów”.

Warto pamiętać o jednym zastrzeżeniu: demonstracja dotyczy zbioru bramek na 54 kubitach, a nie działającej maszyny odpornej na błędy. ScienceDaily opisuje ją jako pierwszą eksperymentalną demonstrację, że to podejście może obsłużyć uniwersalne operacje. W dossier nie ma nic o tym, żeby tą metodą uruchomiono kubit logiczny na dużą skalę.

DOE chce użyteczności naukowej, nie liczenia kubitów

Fermilab opublikował mapę drogową DOE 27 września, a jej rama mówi wprost, co należy uznawać za postęp. Raport „SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future” przygotował podkomitet pod przewodnictwem Anny Grassellino, dyrektor ds. technologii w Fermilab, z profesorem Uniwersytetu Chicagowskiego Supratikiem Guhą jako wiceprzewodniczącym. Fermilab podaje, że w prace wnieśli wkład przedstawiciele laboratoriów narodowych, uczelni, przemysłu i agencji federalnych, łącznie setki osób.

Mapa wyznacza kamień milowy: zademonstrować naukowo istotny, skorygowany pod kątem błędów komputer kwantowy do 2028 roku. Potem rozpisuje trzy fazy. Faza I, od 2026 do 2028 roku, to zestaw konkurencyjnych Quantum Grand Challenges, które łączą laboratoria narodowe, uczelnie i przemysł wokół wspólnie projektowanego sprzętu, algorytmów i oprogramowania. Faza II przewiduje DOE Quantum Computing User Facility, które, jak wprost pisze raport, nie będzie komercyjną usługą chmurową w rodzaju „czarnej skrzynki”, ale otwartym instrumentem, w którym badacze rozwijają sprzęt i oprogramowanie razem z dostawcami. Faza III, od 2030 roku, zakłada procesory kwantowe pełniące rolę koprocesorów, symulatory i sensory wplecione w istniejące sieci AI oraz obliczeń wielkiej skali departamentu.

Raport opowiada się też za neutralnym podejściem do technologii, co ma znaczenie, biorąc pod uwagę liczbę obecnych zakładów o sprzęt. Wymienia docelowe zastosowania: przewidywanie właściwości cząsteczek na potrzeby odkrywania leków, projektowanie katalizatorów, symulowanie materiałów istotnych dla fuzji i modelowanie fizyki wczesnego wszechświata. To problemy, które DOE chce rozwiązać, a nie wyniki benchmarków.

Dwa kolejne kawałki inżynierii, jeden starszy

Uniwersytet Duke’a poinformował 26 września, że jego badacze użyli symulatora kwantowego z 13 jonów w pułapce, żeby odtworzyć rozrywanie struny. To proces, w którym dwa połączone elementy budulcowe materii rozciąga się tak długo, aż nagromadzi się dość energii, by pojawiły się nowe pary cząstek. Praca, opublikowana 23 września w Nature Physics, powstała we współpracy z Uniwersytetem Maryland, Oksfordem, Caltech, Cornell i KU Leuven.

Christopher Monroe, który kierował badaniami w Duke Quantum Center, powiedział, że symulacja kwantowa jest najlepszą dostępną platformą do pytań o powstawanie materii, „jeśli nie liczyć samego bycia świadkiem Wielkiego Wybuchu”. Pierwszy autor Arinjoy De, obecnie w QuEra Computing, powiedział, że zespół zasymulował uwięzienie kwarków i rozrywanie strun w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.

Jest tu uczciwe ograniczenie. Przy 13 jonach klasyczne komputery wciąż potrafią sprawdzić odpowiedź i zespół z Duke’a dokładnie to zrobił: jego klasyczne obliczenia zgadzały się z symulatorem kwantowym. Zakład jest taki, że większe i bardziej złożone wersje problemu w końcu staną się nieosiągalne dla maszyn klasycznych.

Wkład IBM jest starszy, datowany na 19 sierpnia, a w dossier wypłynął 21 września. Firma podała, że połączyła i schłodziła dwa kriogeniczne moduły w jedno środowisko, każdy o wysokości i szerokości ponad 8 stóp, osiągając poniżej 15 milikelwinów, co IBM opisuje jako ponad 180 razy zimniej niż głęboka przestrzeń kosmiczna. Moduły oferują do 12 razy więcej miejsca na okablowanie niż najczęściej używane systemy kwantowe IBM, a firma planuje zainstalować w nich procesory Quantum Nighthawk jeszcze w tym roku. Celem jest IBM Quantum Starling w 2029 roku, który według IBM ma być pierwszym na świecie komputerem kwantowym odpornym na błędy.

Jay Gambetta, dyrektor IBM Research, nazwał połączenie modułów „skokiem naprzód” w kierunku wprowadzenia maszyn odpornych na błędy do przemysłu. Szczegóły mapy drogowej stojącej za Starling, w tym ogłoszony w zeszłym roku kod korekcji błędów, to twierdzenia firmy, a nie niezależne wyniki.

Co ten tydzień właściwie pokazuje

Trzy redakcje, trzy rodzaje postępu. ScienceDaily przyniosło dwa wyniki eksperymentalne: jeden o uniwersalnych operacjach z nieabelowymi anyonami, drugi o symulowaniu fizyki wczesnego wszechświata. Fermilab przyniósł dokument polityczny, który wpłynie na to, gdzie trafią amerykańskie pieniądze publiczne. Biuro prasowe IBM przyniosło kamień milowy inżynieryjny w infrastrukturze chłodzenia, której będzie potrzebować każda maszyna na dużą skalę.

Żaden z tych elementów nie jest gotowym komputerem kwantowym. Wynik z anyonami trzeba skalować poza 54 kubity. Symulacja z Duke’a musi urosnąć poza punkt, w którym klasyczna maszyna potrafi ją zweryfikować. Moduły IBM potrzebują chipów i architektury odpornej na błędy, która pojawi się dopiero w 2029 roku. Cel DOE na 2028 rok, naukowo istotna maszyna z korekcją błędów, leży w środku tej osi czasu i zależy od wyzwań, których jeszcze nie rozpoczęto.

Łączy je zmiana w tym, co dziedzina uznaje za kamień milowy. Uniwersalne zbiory bramek na chronionej informacji, rozrywanie struny na kontrolowalnym symulatorze, miejsce na okablowanie dla setek chipów, plan infrastruktury, który mierzy sukces rozwiązanymi problemami. Najnowsze pozycje w dossier nie dotyczą większych liczb. Dotyczą tego, czy te liczby potrafią cokolwiek zrobić.