Uniwersalność obliczeń kwantowych ogłoszona w ten sam weekend co krajowa mapa drogowa

Wynik ukazał się w Nature, o czym donosi tekst ScienceDaily z 27 września. Zespół połączył dwie operacje, splatanie i fuzję, na 54 splątanych kubitach pułapkowego procesora jonowego H2 firmy Quantinuum. Wykorzystał przy tym grupę symetrii S3, czyli obroty i odbicia, które nie zmieniają trójkąta równobocznego.

Ruben Verresen, adiunkt w Pritzker School of Molecular Engineering Uniwersytetu Chicagowskiego i współautor pracy, mówi w komunikacie o wyniku prostymi słowami. „Zademonstrowaliśmy 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.

W prace zaangażowane były UChicago PME, Harvard, Stony Brook University i Quantinuum. Opierają się na eksperymencie z 2024 roku, który część tych samych badaczy przeprowadziła na sprzęcie Quantinuum. Tamten eksperyment wytworzył anyony związane z inną grupą symetrii, D4. Dowiódł, że cząstki da się wytworzyć i że można nimi manipulować. Nie dowiódł, że wystarczą do obliczeń.

Dlaczego zestaw bramek znaczy więcej niż liczba kubitów

Luka między ochroną informacji kwantowej a obliczaniem na niej to główny problem inżynieryjny w tej dziedzinie. Korygowanie błędów rozkłada jeden kubit logiczny na wiele fizycznych, dzięki czemu dane przeżywają. Zwykle nie daje to jednak każdej operacji, jakiej potrzebuje uniwersalna maszyna. Inżynierowie łatają tę dziurę stanami magicznymi, wytwarzanymi w procesie oczyszczania zwanym destylacją.

Destylacja jest kosztowna. Zjada dużą część dostępnych kubitów maszyny, a właśnie tego zasobu wszystkim brakuje. Nowa praca przekonuje, że nieabelowe anyony mogą ten krok ominąć. Henrik Dreyer, dyrektor zarządzający i lider naukowy monachijskiego biura Quantinuum oraz współautor, nazywa w cytacie nieabelowe kody „czarnym koniem w wyścigu o korekcję błędów kwantowych”. Twierdzi, że praca pokazuje, iż obliczenia odporne na błędy mogą co do zasady przebiegać bez destylacji ani kultywacji stanów magicznych.

To twierdzenie o drodze, nie o gotowej maszynie. Eksperyment działał na 54 kubitach i zademonstrował zestaw bramek. Nie zademonstrował użytecznego algorytmu w skali, a komunikat nie podaje liczby kubitów logicznych z korekcją błędów.

Własne ujęcie Verresena jest pouczające. „W tamtej pracy nie zademonstrowaliśmy, że te wyłaniające się siły wystarczą do obliczeń kwantowych” – powiedział o eksperymencie z 2024 roku. „Ten konkretny wszechświat, który stworzyliśmy, nie był wystarczająco potężny”.

Waszyngton publikuje własny harmonogram, z 2028 rokiem

Tej samej dnia Fermilab przedrukował artykuł Biura Nauki Departamentu Energii ogłaszający wydanie „SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future”. Mapą drogową kierował podkomitet pod przewodnictwem Anny Grassellino, dyrektorki ds. technologii w Fermilab. Wiceprzewodniczącym był Supratik Guha z Pritzker School of Molecular Engineering Uniwersytetu Chicagowskiego.

Raport wyznacza drogę opartą na kamieniach milowych do wykazania użyteczności naukowej obliczeń kwantowych. Podaje cel: naukowo istotny, skorygowany pod kątem błędów komputer kwantowy do 2028 roku. Proponuje trzy fazy. Pierwsza to konkursowe Quantum Grand Challenges od 2026 do 2028 roku, łączące laboratoria narodowe, uczelnie i przemysł. Druga to zbudowany na tych doświadczeniach DOE Quantum Computing User Facility. Trzecia, od 2030 roku, to integracja koprocesorów kwantowych z infrastrukturą obliczeń wysokiej wydajności i AI departamentu.

Tekst DOE mówi wprost, że obiekt nie jest pomyślany jako komercyjna usługa chmurowa. Opisuje otwarty instrument naukowy, w którym badacze wspólnie z dostawcami rozwijają sprzęt, systemy sterowania i oprogramowanie, i deklaruje neutralność technologiczną. Podane zastosowania to problemy chemii i materiałów: właściwości molekularne dla odkrywania leków, katalizatory dla produkcji, materiały istotne dla fuzji oraz fizyka wczesnego wszechświata.

Jedno zdanie z tekstu Fermilabu warto oddzielić od reszty. DOE twierdzi, że sukces trzeba mierzyć użytecznością naukową, a nie największym komputerem kwantowym. To argument polityczny w równym stopniu co techniczny.

Trzy drogi sprzętowe, trzy różne zakłady

Weekend przyniósł też drugi wynik badawczy. ScienceDaily poinformowało 26 września, że badacze pod kierownictwem Duke Quantum Center użyli 13-jonowego symulatora kwantowego z pułapkowanymi jonami, aby odtworzyć zrywanie struny. To proces związany z powstawaniem cząstka-antycząstka po Wielkim Wybuchu. Praca ukazała się 23 września w Nature Physics, ze współautorami z University of Maryland, Oxford, Caltech, Cornell i KU Leuven.

Christopher Monroe z Duke, który kierował badaniami, mówi w cytacie, że symulacje na komputerach kwantowych są najlepszą dostępną platformą dla pytań o powstawanie materii „krótko mówiąc, bez własnego obejrzenia Wielkiego Wybuchu”. Zespół porównał wyniki kwantowe z obliczeniem klasycznym i oba się zgodziły, co według komunikatu jest oczekiwane w tej małej skali.

Jest jeszcze harmonogram przemysłowy. IBM ogłosił 19 sierpnia, w komunikacie datowanym na 19 sierpnia i ujawnionym w tym zestawieniu 21 września, że połączył i schłodził dwa kriogeniczne moduły w jednym środowisku, osiągając poniżej 15 milikelwinów. Każdy moduł oferuje do 12 razy więcej miejsca na okablowanie niż najczęściej używane systemy kwantowe IBM. Firma planuje zainstalować w modułach procesory Quantum Nighthawk jeszcze w tym roku, w drodze do systemu o 1 000 programowalnych kubitów w 2027 roku i odpornego na błędy IBM Quantum Starling w 2029 roku.

Jay Gambetta, dyrektor IBM Research, nazywa w cytacie połączenie modułów „skokiem naprzód” w stronę odporności na błędy. Warto zauważyć daty: cel IBM wypada rok po podanym przez DOE kamieniu milowym 2028 roku dla naukowo istotnej maszyny z korekcją błędów. Oba dokumenty się nie wykluczają, bo inaczej definiują metę. DOE chce wykazanej użyteczności naukowej. IBM chce systemu odpornego na błędy. To nie to samo twierdzenie i czytelnik nie powinien ich uśredniać.

Poza nagłówkami rusza też zaplecze. Sponsorowany wpis na Semiengineering z 24 września opisuje proces firmy Keysight, który dopasowuje kompaktowy model BSIM-BULK do danych w temperaturze pokojowej, a potem używa hybrydowych sieci neuronowych do nauki zachowania kriogenicznego, którego model nie obejmuje w 4 kelwinach. Podaje 41,8 procent złożonej rocznej stopy wzrostu rynku kwantowego od 2025 do 2030 roku, za MarketsandMarkets. To materiał dostawcy, który przekonuje do produktu, ale wskazuje na realne wąskie gardło: elektronika sterowania i odczytu obok kubitów potrzebuje modeli, których w standardowej formie jeszcze nie ma.

Co ten weekend faktycznie ustalił

Odsuńmy ramę i zostają trzy rzeczy z ostatnich 72 godzin. Twierdzenie o uniwersalności na 54 kubitach pułapkowych, opublikowane w Nature i opisane 27 września. Krajowa mapa drogowa DOE z kamieniem milowym w 2028 roku i deklarowaną preferencją dla użyteczności naukowej ponad liczbą kubitów. Oraz małoskalowa symulacja fizyczna na 13 jonach, zgodna z obliczeniem klasycznym, opisana 26 września.

Żadna z nich nie jest działającym komputerem kwantowym ogólnego przeznaczenia. Wynik z anyonami to demonstracja zestawu bramek na sprzęcie, który istnieje dziś. Jego praktyczna wartość zależy od tego, czy nieabelowe kody skalują się lepiej niż maszyneria stanów magicznych, którą miałyby zastąpić. Tego praca nie rozstrzyga. Mapa drogowa DOE to plan, nie wynik. Kriogeniczne moduły IBM to kamień milowy inżynieryjny w drodze do celu z 2029 roku.

Uczciwa lektura jest taka, że dziedzina przestała spierać się wyłącznie o liczbę kubitów, a zaczęła spierać się o drogi. Nieabelowe anyony, stany magiczne, modułowa kriogenika, modelowanie krioelektroniki: to konkurujące zakłady o to, jak powstanie maszyna, a weekend pokazał kilka z nich publicznie naraz. Który wygra, tego jedna praca w Nature nie rozstrzyga.