Uniwersalne anyony, mapa drogowa DOE i symulacja wczesnego wszechświata: tydzień kwantowy

Zespół użył 54 splątanych kubitów w procesorze jonów w pułapce H2 firmy Quantinuum i zbudował to, co sam nazywa uniwersalnym zestawem bramek. Ruben Verresen, adiunkt w Pritzker School of Molecular Engineering Uniwersytetu w Chicago i współautor pracy, powiedział: "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", podaje ScienceDaily.

To twierdzenie ma wagę, bo korekcja błędów kwantowych zwykle wymusza kompromis. Chronione kubity logiczne opierają się szumowi, ale sama ochrona nie dostarcza wszystkich operacji, których potrzebuje maszyna ogólnego przeznaczenia. Inżynierowie łatają tę lukę stanami magicznymi, które trzeba destylować wysokim kosztem kubitów i czasu.

Anyony nieabelowe idą inną drogą. Nie występują w przyrodzie jako samodzielne cząstki. Badacze splątują wiele zwykłych kubitów w stan zbiorowy, który zachowuje się jak nowa cząstka z własnymi regułami. Przesunięcie jednego anyonu wokół drugiego, proces zwany splataniem warkocza, zmienia stan wewnętrzny pary, a kolejność tych ruchów niesie informację.

Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i lider naukowy w monachijskim biurze Quantinuum oraz współautor, powiedział: "Kody nieabelowe to czarny koń w wyścigu o korekcję błędów kwantowych. W tej pracy pokazujemy pierwszy uniwersalny zestaw bramek w kodzie nieabelowym, co dowodzi, że obliczenia odporne na błędy można w zasadzie prowadzić bez uciekania się do destylacji lub kultywacji stanów magicznych, czyli najdroższych operacji w standardowych kodach korekcji błędów kwantowych".

Nowy eksperyment nawiązuje do pracy z 2024 roku, którą część tych samych badaczy wykonała, tworząc anyony związane z grupą symetrii D4 na maszynie Quantinuum. Samo splatanie warkocza tam nie wystarczyło. Verresen powiedział: "Ten konkretny wszechświat, który stworzyliśmy, nie był wystarczająco potężny". Zespół przeszedł na symetrię S3, czyli obroty i odbicia, które nie zmieniają trójkąta równobocznego.

Waszyngton wyznacza cel na 2028

W tym samym tygodniu Departament Energii USA opublikował krajową mapę drogową obliczeń kwantowych. Fermilab, który wydał raport 27 września, podał, że dokument powstał w wyniku wysiłku całego środowiska pod kierunkiem Podkomitetu ds. Kwantowych Komitetu Doradczego ds. Nauki. Przewodniczyła mu Anna Grassellino, dyrektor ds. technologii Fermilabu, a wiceprzewodniczył profesor Uniwersytetu w Chicago Supratik Guha. Raport wyznacza ścieżkę opartą na kamieniach milowych, prowadzącą do wykazania użyteczności naukowej obliczeń kwantowych i włączenia systemów kwantowych w infrastrukturę badawczą laboratoriów DOE, obliczenia wielkiej skali i sztuczną inteligencję.

Mapa drogowa ustala trójfazowe ramy. Faza I trwa od 2026 do 2028 roku i tworzy konkurencyjne Wielkie Wyzwania łączące laboratoria narodowe, uniwersytety i przemysł. Faza II przewiduje Użytkowe Centrum Obliczeń Kwantowych DOE, opisane w raporcie jako otwarty instrument naukowy, a nie komercyjna usługa chmurowa. Faza III, od 2030 roku wzwyż, zakłada koprocesory kwantowe, symulatory i czujniki wplecione w istniejące sieci HPC i AI departamentu. Deklarowany cel to naukowo istotny, skorygowany pod względem błędów komputer kwantowy do 2028 roku.

Mniejsza maszyna, inne pytanie

Gdzie indziej badacze z Uniwersytetu Duke'a donieśli o użyciu 13-jonowego symulatora kwantowego do odtworzenia rozrywania struny, procesu związanego z powstawaniem cząstka-antycząstka w ekstremalnych warunkach po Wielkim Wybuchu. Praca ukazała się 23 września w Nature Physics, a 26 września ogłosił ją ScienceDaily. Christopher Monroe, który kierował badaniami w Duke Quantum Center, powiedział: "Symulacje na komputerach kwantowych dają najlepszą platformę do badania złożonych zagadnień, takich jak powstawanie materii, jeśli nie mieliśmy okazji zobaczyć samego Wielkiego Wybuchu".

Współpraca obejmowała Uniwersytet Maryland, Oxford, Caltech, Cornell i KU Leuven. Przy tej skali obliczenia klasyczne zgadzały się z wynikami kwantowymi, podali badacze, choć oczekują, że wraz ze wzrostem problemów przejmą je maszyny kwantowe. ScienceDaily zauważył dwie inne niedawno opublikowane prace, które odtworzyły podobną fizykę na innym sprzęcie, co sugeruje, że wynik nie jest odosobniony.

Producenci sprzętu też napierają od strony inżynierii. IBM podał 19 sierpnia, że połączył i schłodził dwa modułowe systemy kriogeniczne w jedno środowisko, osiągając poniżej 15 milikelwinów, w ramach swojej mapy drogowej do maszyny odpornej na błędy w 2029 roku. Raport przedrukowała sieć ScienceDaily 21 września. IBM twierdzi, że każdy moduł oferuje do 12 razy więcej miejsca na okablowanie niż jego najczęściej używane systemy kwantowe, i planuje zainstalować w modułach procesory Nighthawk jeszcze w tym roku.

Jedno zastrzeżenie trzeba wypowiedzieć. Wynik z anyonami to demonstracja na 54 kubitach, a nie działający komputer, a symulacja Duke'a działała na 13 jonach.

Sama mapa drogowa DOE przedstawia 2028 rok jako cel wykazania użyteczności naukowej, a nie termin dostawy. Relacje o mapie drogowej z Quantum Zeitgeist z 26 września i z Fermilabu z 27 września zgadzają się co do istoty; żadna nie twierdzi, że maszyna istnieje.