Uniwersalne anyony, mapa DOE i symulacja wczesnego wszechświata: tydzień fizyki kwantowej

Zespół splątał 54 kubity w pułapce jonowej H2 firmy Quantinuum i zbudował z nich to, co nazywa uniwersalnym zbiorem bramek. Ruben Verresen, adiunkt w Pritzker School of Molecular Engineering Uniwersytetu Chicagowskiego i współautor pracy, powiedział: "Pokazaliśmy tak zwany uniwersalny zbiór bramek, co oznacza, że jeśli przechowujesz informację w tych wyłaniających się wersjach kwarków i przenosisz je, możesz wykonać dowolne obliczenie kwantowe, jakie chcesz", podaje ScienceDaily.

Wynik ma znaczenie, bo korekcja błędów kwantowych zwykle wymusza kompromis. Chronione kubity logiczne są odporne na szum, ale sama ochrona nie dostarcza wszystkich operacji, jakich potrzebuje maszyna ogólnego przeznaczenia. Inżynierowie łatają tę lukę stanami magicznymi, które trzeba destylować wysokim kosztem w kubitach i czasie.

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 rządząca się własnymi regułami. Przeniesienie jednego anyonu wokół drugiego, proces zwany splataniem warkoczy, zmienia stan wewnętrzny pary, a kolejność tych ruchów niesie informację.

Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i kierownik naukowy monachijskiego biura Quantinuum oraz współautor, powiedział: "Kody nieabelowe to czarny koń w wyścigu o korekcję błędów kwantowych. W tej pracy pokazujemy pierwszy uniwersalny zbiór bramek w kodzie nieabelowym, co dowodzi, że obliczenia tolerujące błędy można w zasadzie prowadzić bez uciekania się do destylacji lub kultywacji stanów magicznych, które są najdroższymi operacjami w standardowych kodach korekcji błędów kwantowych".

Nowy eksperyment nawiązuje do pracy z 2024 roku, którą wykonali częściowo ci sami badacze. Stworzyli wtedy anyony związane z grupą symetrii D4 na maszynie Quantinuum. Samo splatanie warkoczy okazało się niewystarczające. Verresen powiedział: "Ten konkretny wszechświat, który stworzyliśmy, nie był dość potężny". Zespół przeszedł na symetrię S3, czyli obroty i odbicia, które nie zmieniają trójkąta równobocznego.

Waszyngton wyznacza cel na 2028 rok

W tym samym tygodniu amerykański Departament Energii opublikował krajową mapę drogową obliczeń kwantowych. Fermilab, który ogłosił raport 27 września, podał, że dokument powstał w wyniku wysiłku całego środowiska pod kierunkiem Podkomitetu ds. Kwantowych przy Komitecie Doradczym ds. Nauki. Przewodniczyła mu Anna Grassellino, dyrektor ds. technologii Fermilabu, a wiceprzewodniczącym był profesor Uniwersytetu Chicagowskiego Supratik Guha. Raport wyznacza drogę opartą na kamieniach milowych do pokazania użyteczności naukowej obliczeń kwantowych i włączenia systemów kwantowych w infrastrukturę badawczą laboratoriów DOE, obliczenia wielkiej skali i sztuczną inteligencję.

Mapa określa trzystopniowe ramy. Faza I obejmuje lata 2026-2028 i ustanawia konkurencyjne Wielkie Wyzwania łączące laboratoria narodowe, uniwersytety i przemysł. Faza II przewiduje powstanie DOE Quantum Computing User Facility, opisanej w raporcie jako otwarte narzędzie naukowe, a nie komercyjna usługa chmurowa. Faza III, od 2030 roku, zakłada koprocesory kwantowe, symulatory i czujniki wplecione w istniejące sieci HPC i AI departamentu. Deklarowanym celem jest naukowo istotny, skorygowany pod kątem błędów komputer kwantowy do 2028 roku.

Mniejsza maszyna, inne pytanie

Osobno badacze z Uniwersytetu Duke'a poinformowali, że użyli symulatora kwantowego z 13 jonami, żeby odtworzyć rozpad struny, proces związany z powstawaniem par 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 widziało się samego Wielkiego Wybuchu".

Współpraca objęła Uniwersytet Maryland, Oxford, Caltech, Cornell i KU Leuven. Klasyczne obliczenia zgadzały się z wynikami kwantowymi w tej skali, podali badacze, choć spodziewają się, że wraz ze wzrostem złożoności problemów przejmą je maszyny kwantowe. ScienceDaily odnotował 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 tolerującej błędy w 2029 roku. Raport opublikowała ponownie 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.

Warto zgłosić jedno zastrzeżenie. Wynik z anyonami to demonstracja na 54 kubitach, nie działający komputer, a symulacja Duke'a działała na 13 jonach.

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