Uniwersalność, mapa DOE i chłodziarki IBM: tydzień dostaw w informatyce kwantowej

Wynik ogłoszono w ten sam weekend, w którym Departament Energii USA opublikował krajową mapę drogową. Dokument odchodzi od liczenia kubitów i stawia na dowody naukowej użyteczności. Obie publikacje mają w dossier datę 27 września i mierzą się z tym samym pytaniem: co komputer kwantowy musi zrobić, zanim ktokolwiek nazwie go użytecznym.

Według relacji ScienceDaily z pracy Uniwersytetu Chicagowskiego zespół wytworzył nieabelowe anyony związane z grupą symetrii S3, czyli obrotami i odbiciami lustrzanymi, które nie zmieniają trójkąta równobocznego, i splątał 54 kubity w pułapkowym procesorze jonowym H2 firmy Quantinuum. Samo przeplatanie nie wystarczyło. Badacze połączyli przeplatanie z fuzją, żeby uzyskać pełny zestaw operacji. Artykuł ukazał się w Nature. To kamień milowy techniczny, nie zapowiedź produktu, a ta różnica ma znaczenie dla odczytania wyniku.

"Pokazaliśmy tak zwany uniwersalny zestaw bramek, co oznacza, że jeśli przechowujesz informację w tych wyłaniających się wersjach kwarków i przemieszczasz je, możesz wykonać dowolne obliczenie kwantowe, jakie chcesz" - powiedział Ruben Verresen, adiunkt inżynierii molekularnej w UChicago PME i współautor.

To mocna teza, a badacze uważają na to, co obejmuje, a czego nie. Eksperyment z 2024 roku tej samej grupy, z grupą symetrii D4 na sprzęcie Quantinuum, pokazał, że anyony da się wytworzyć i przemieszczać. Nie potrafił 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 jest powodem, dla którego ta gałąź badań 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 wypełnić lukę, zespoły przygotowują tak zwane stany magiczne, a ich wytworzenie wymaga procesu oczyszczania zwanego destylacją, który może pochłonąć dużą część kubitów maszyny.

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

Jedno zastrzeżenie warto mieć z tyłu głowy: demonstracja to zestaw bramek na 54 kubitach, nie działająca maszyna odporna na błędy. ScienceDaily opisuje ją jako pierwszą eksperymentalną demonstrację, że to podejście może obsłużyć uniwersalne operacje. Nic w dossier nie mówi, żeby tą metodą uruchomiono kubit logiczny na dużą skalę.

DOE chce użyteczności naukowej, nie liczby kubitów

Fermilab opublikował mapę DOE 27 września, a jej rama mówi bez ogródek, co powinno liczyć się jako postęp. Raport "SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future" przygotował podkomitet pod przewodnictwem Anny Grassellino, dyrektor technicznej Fermilabu, z profesorem Uniwersytetu Chicagowskiego Supratikiem Guhą jako wiceprzewodniczącym. Fermilab podaje, że proces zebrał wkład laboratoriów narodowych, uczelni, przemysłu i agencji federalnych, z setkami uczestników.

Mapa wyznacza kamień milowy: do 2028 roku zademonstrować naukowo istotny komputer kwantowy z korekcją błędów. Potem rozpisuje trzy fazy. Faza I, od 2026 do 2028 roku, to zestaw konkurencyjnych Wielkich Wyzwań Kwantowych, które łączą laboratoria narodowe, uczelnie i przemysł we wspólnie projektowanym sprzęcie, algorytmach i oprogramowaniu. Faza II przewiduje DOE Quantum Computing User Facility, czyli placówkę, która według raportu wprost nie będzie komercyjną chmurową "czarną skrzynką", lecz otwartym instrumentem, gdzie badacze rozwijają sprzęt i oprogramowanie razem z dostawcami. Faza III, od 2030 roku, zakłada procesory kwantowe, symulatory i czujniki wplecione w istniejące sieci AI i obliczeń o wysokiej wydajności departamentu.

Raport opowiada się też za neutralnością technologiczną, co ma znaczenie, biorąc pod uwagę liczbę obecnych zakładów sprzętowych. 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 elementy inżynierii, jeden starszy

Uniwersytet Duke'a poinformował 26 września, że jego badacze użyli symulatora kwantowego z 13 jonami w pułapce, żeby odtworzyć zrywanie struny, czyli proces, w którym dwa połączone elementy budulcowe materii rozciąga się tak długo, aż zgromadzi się dość energii na pojawienie się nowych par cząstek. Praca ukazała się 23 września w Nature Physics, a wśród współpracowników byli badacze z University of Maryland, Oxfordu, Caltechu, 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 "krótko mówiąc, bez samodzielnego obserwowania Wielkiego Wybuchu". Pierwszy autor Arinjoy De, obecnie w QuEra Computing, powiedział, że zespół zasymulował uwięzienie kwarków i zrywanie struny w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym.

Jest tu uczciwe ograniczenie. Przy 13 jonach klasyczne komputery wciąż potrafią sprawdzić odpowiedź, a zespół z Duke'a dokładnie to zrobił: jego klasyczne obliczenia zgodziły się z symulatorem kwantowym. Zakład polega na tym, że większe i bardziej złożone wersje problemu pewnego dnia staną się nieosiągalne dla maszyn klasycznych.

Wkład IBM jest starszy, datowany na 19 sierpnia i wydobyty w dossier 21 września. Firma podała, że połączyła i schłodziła dwa kriogeniczne moduły w jedno środowisko, każdy o wysokości ponad 8 stóp i szerokości ponad 8 stóp, osiągając poniżej 15 milikelwinów, co IBM opisuje jako ponad 180 razy zimniej niż w głębokim kosmosie. Moduły dają 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 za Starlingiem, w tym kod korekcji błędów ogłoszony w zeszłym roku, to twierdzenia firmy, a nie niezależne wyniki.

Co ten tydzień faktycznie pokazuje

Trzy redakcje, trzy rodzaje postępu. ScienceDaily opisał dwa wyniki eksperymentalne, jeden o uniwersalnych operacjach z nieabelowymi anyonami, drugi o symulacji fizyki wczesnego wszechświata. Fermilab opublikował dokument polityczny, który ukształtuje kierunek amerykańskich pieniędzy publicznych. Biuro prasowe IBM pokazało kamień milowy inżynieryjny w infrastrukturze chłodzenia, której będzie potrzebować każda maszyna na dużą skalę.

Żaden z nich nie jest gotowym komputerem kwantowym. Wynik z anyonami trzeba przeskalować poza 54 kubity. Symulacja Duke'a musi urosnąć ponad punkt, w którym maszyna klasyczna potrafi ją zweryfikować. Moduły IBM potrzebują chipów i architektury odpornej na błędy, która trafi na rynek dopiero w 2029 roku. Cel DOE na 2028 rok, czyli naukowo istotna maszyna z korekcją błędów, leży pośrodku tej osi czasu i zależy od wyzwań, których jeszcze nie rozpoczęto.

Tym, co je łączy, jest zmiana w tym, co dziedzina uznaje za kamień milowy. Uniwersalne zestawy bramek na chronionej informacji, zrywanie struny na sterowalnym symulatorze, miejsce na okablowanie dla setek chipów, plan placówki, która mierzy sukces rozwiązaniem problemów. Najnowsze pozycje w dossier nie dotyczą większych liczb. Dotyczą tego, czy te liczby potrafią cokolwiek zrobić.