Вчені з компанії Quantinuum представили світу свою найпотужнішу квантову обчислювальну машину. Команда розробників стверджує, що ця нова система здатна розв’язувати задачі, для яких суперкомп’ютеру знадобилася б енергія, що перевищує сукупну потужність квазара – одного з найяскравіших об’єктів у Всесвіті. Квазари – це надзвичайно потужні джерела електромагнітного випромінювання, що живляться надмасивними чорними дірами в центрах далеких галактик, їхнє енергетичне випромінювання сягає астрономічних масштабів.
Серце нової машини, названої Helios, становить квантовий процесорний блок (QPU), обладнаний 98 фізичними кубітами, створеними з іонів барію. Фізичні кубіти – це базові елементи зберігання та обробки інформації в квантових комп’ютерах, аналогічні бітам у класичних системах, але здатні перебувати в суперпозиції станів. Ці кубіти розташовані в унікальній конфігурації – “перехресно-іонній пастці”, що являє собою невелику кільцеподібну структуру, яка розгалужується на дві паралельні штанги. Іони барію – це атоми барію, що втратили або набули електрони, вони зручні для квантових обчислень завдяки своїй стабільності та можливості маніпулювати ними за допомогою лазерів.
Ця своєрідна архітектура кубітів, як зазначають науковці, значно підвищує ефективність виявлення та виправлення помилок, що забезпечує значно кращу продуктивність під час виконання обчислень порівняно з існуючими QPU. Свої відкриття команда детально описала в дослідженні, опублікованому 5 листопада Лабораторією Сандія – однією з найбільших науково-дослідних установ Сполучених Штатів, яка співпрацювала з Quantinuum.
Науковці сміливо заявляють, що Helios наразі є найпродуктивнішим квантовим комп’ютером у світі, успішно пройшовши низку еталонних випробувань. Вони також використали цю машину для моделювання надпровідного металу та зробили нове відкриття щодо атомної поведінки цього матеріалу. Девід Хейз, директор з обчислювального дизайну та теорії в Quantinuum, у розмові з Live Science без вагань підтвердив: “На цей час це безумовно найпотужніший квантовий комп’ютер на Землі”.
Будова квантового комп’ютера
Вчені об’єднали 98 фізичних кубітів у 48 повністю скоригованих на помилки логічних кубітів – логічні кубіти є групами фізичних кубітів, які працюють разом для мінімізації ймовірності збою, якщо виникне помилка в одному з них. Таке компонування (48 пар з двома резервними) дозволило досягти “продуктивності, кращої за беззбиткову”, як висловився Хейз. Поняття “продуктивність, краща за беззбиткову” означає, що процесор виконує реальні обчислення ефективніше із застосуванням кодів виправлення помилок, ніж без них, що є значним технологічним проривом.
Досі науковці вважали, що для створення логічного кубіта потрібне співвідношення приблизно 10:1 – тобто десять фізичних кубітів для одного логічного. Команда Quantinuum зуміла знизити це співвідношення до 2:1. Це значно спрощує подальше розширення системи. Вони також проводили експерименти з 50 та 96 логічними кубітами, але результати виявилися менш вражаючими. Проте, досягнення високих показників з 46 логічними кубітами полегшить створення набагато більших машин у майбутньому, коли їх масштабуватимуть до мільйонів кубітів, що необхідно для перевершення найшвидших суперкомп’ютерів.
Окрім цього, науковці розробили нову мову програмування під назвою Guppy, що базується на широко використовуваній мові Python – одній з найпопулярніших мов програмування, відомої своєю простотою та універсальністю. Guppy призначена для сумісності з майбутніми відмовостійкими системами. Вони також створили нову архітектуру керування з нуля, щоб керуючий механізм – класичний “мозок” машини – міг виявляти та усувати помилки в реальному часі.
Цей керуючий механізм функціонує як звичайний комп’ютер, проектуючи квантові схеми безпосередньо під час їх виконання. Потім Helios використовує графічні процесори Nvidia – потужні обчислювальні пристрої, широко застосовувані в штучному інтелекті та високопродуктивних обчисленнях, – для розшифровки інформації про помилки, надсилаючи виправлення назад до квантового комп’ютера для їх мінімізації. Хейз підкреслив, що тепер система повинна діяти досить швидко, щоб планувати та змінювати квантову задачу достатньо оперативно, аби кубіти не перебували у стані дефазування та декогерентності – втрати крихкого квантового стану, необхідного для обчислень. “Ми нарешті освоїли цей механізм контролю в реальному часі, який є невід’ємною частиною нової машини та необхідний для відмовостійкості”, – додав він.
Межа похибки в квантових обчисленнях
“Коли ми починали з попередніми квантовими процесорними блоками Quantinuum – H1 та H2, – ми просто намагалися запустити систему”, – пояснив Хейз. “І як тільки ми це зробили, ми почали досліджувати експерименти з квантовою корекцією помилок і досить швидко усвідомили, що нам потрібне щось інше”.
У проведеному дослідженні Helios продемонстрував значно вищі показники в різних еталонних тестах квантових обчислень порівняно з будь-якою раніше представленою публічно машиною. QPU зафіксував точність 99.921% для всіх пар кубітів та 99.9975% для однокубітних квантових вентилів – обчислювальних операцій, що виконуються на окремих кубітах.
Еталонні експерименти включали широко використовуваний тест на вибірку випадкових ланцюгів (RCS), який Google вперше розробив у 2019 році, а потім довів до межі можливостей зі своїм QPU Willow у 2024 році. Quantinuum побив цей рекорд минулого року зі своїм 56-кубітним квантовим комп’ютером H2-1.
Хоча багато квантових комп’ютерів мають більше фізичних кубітів, ніж нова система Helios, її продуктивність значною мірою залежить від якості кубітів – та мінімізації їх схильності до збоїв. Саме тому науковці останнім часом зосереджуються на квантовій корекції помилок (QEC). Цей напрямок спрямований на вирішення проблеми надзвичайно високої частоти помилок у кубітах порівняно з бітами у класичних обчисленнях: у звичайних комп’ютерах збій виникає приблизно в 1 з 1 трильйона бітів, тоді як у квантових комп’ютерах (без втручання або корекції помилок) – приблизно в 1 з 1000 кубітів.
Використання квантових комп’ютерів для нових відкриттів
Для випробування своєї нової машини вчені використали Helios для моделювання високотемпературного надпровідного металу, щоб виявити раніше невідому поведінку електронів. Детальні висновки були опубліковані в іншому дослідженні 3 листопада в базі препринтів arXiv.
У дослідженні вони виявили, що електрони з’єднуються через явище квантової заплутаності – коли дві або більше частинок пов’язані таким чином, що стан однієї миттєво впливає на стан іншої, незалежно від відстані між ними. У стані надпровідності метали повністю втрачають електричний опір при низьких температурах. У випадку з Helios це означало, що електрони мали спільну ідентичність, коли метал перебував у надпровідному стані. Ця “ознака надпровідності” відсутня, коли метал не є надпровідним, – зауважив Хейз.
Модель ґрунтувалася на попередньому експерименті, в якому науковці спрямували світло на шматок металу – нещодавно відкритий La3Ni2O – щоб зробити його надпровідним при кімнатній температурі на дуже короткий час. Моделювання на Helios виявило ці надпровідні ознаки. У “мокрих лабораторіях”, де присутній реальний шматок металу, цю поведінку окремих електронів побачити неможливо, пояснив Хейз.
Науковці раніше проводили інші експерименти на аналогових квантових симуляторах – простих квантових системах, що імітують складніші, – які моделюють, як може поводитися шматок металу, зазначив Хейз. Однак вони не можуть вимірювати окремі частинки та досліджувати їх так само, як це робить цифровий квантовий комп’ютер. Він додав, що нова машина є першим квантовим комп’ютером, здатним спостерігати це явище.
Розкривши нову архітектуру квантових обчислень, Хейз впевнений, що вчені зможуть розпочати її масштабування, щоб багато таких перехресно-іонних пасток могли працювати разом у майбутніх машинах. “Можна думати про це як про дорожнє перехрестя для кубітів, щоб дуже ефективно направляти та об’єднувати їх”, – зазначив Хейз, посилаючись на перехрестя, що йде за кільцем у новому розташуванні. “І тепер, коли ми маємо це працюючим, ми вважаємо, що буде досить просто впровадити багато таких елементів, щоб перейти до машин нового покоління та дійсно масштабувати ці машини до величезних чисел”.
