Компания Quantinuum представила квантовый компьютер третьего поколения, масштабирование которого может оказаться проще, чем у конкурирующих решений.
Компания Quantinuum, базирующаяся в США и Великобритании, сегодня представила Helios — квантовый компьютер третьего поколения, обладающий расширенной вычислительной мощностью и возможностями исправления ошибок.
Как и все существующие квантовые компьютеры, Helios недостаточно мощный для реализации самых востребованных в отрасли алгоритмов, приносящих прибыль, например, тех, которые были бы полезны для открытия новых материалов или финансового моделирования. Однако машины Quantinuum, использующие отдельные ионы в качестве кубитов, могут быть проще масштабируемыми, чем квантовые компьютеры, использующие сверхпроводящие цепи в качестве кубитов, например, компьютеры Google и IBM.
«Helios — важный этап в нашей дорожной карте по масштабированию до более крупных физических систем», — говорит Дженнифер Страбли, вице-президент компании Quantinuum, образованной в 2021 году в результате слияния Honeywell Quantum Solutions и Cambridge Quantum. Honeywell остаётся основным владельцем Quantinuum.
Helios, расположенный на предприятии Quantinuum в Колорадо, состоит из множества компонентов, включая зеркала, лазеры и оптоволокно. Его ядро — микросхема размером с ноготь, содержащая ионы бария, которые служат кубитами, выполняющими собственно вычисления. Helios одновременно обрабатывает 98 ионов бария; его предшественник, H2, использовал 56 кубитов иттербия. Ионы бария представляют собой усовершенствование, поскольку ими, как оказалось, легче управлять, чем иттербием. Все эти компоненты находятся в камере, охлаждаемой примерно до 15 Кельвинов (-432,67 °F), установленной на оптическом столе. Пользователи могут получить доступ к компьютеру, войдя в систему удаленно через облако.
Helios кодирует информацию в квантовых состояниях ионов, которые могут представлять собой не только нули и единицы, как биты в классических вычислениях, но и вероятностные комбинации этих двух значений, известные как суперпозиции. Эти суперпозиционные состояния, отличительная черта квантовых вычислений, подобны состоянию монеты, подбрасываемой в воздух: ни орла, ни решки, но с некоторой вероятностью того и другого.
Квантовые вычисления используют уникальную математику квантово-механических объектов, таких как ионы, для проведения вычислений. Сторонники этой технологии считают, что это может открыть возможности для коммерчески выгодных приложений, таких как высокоточное моделирование химических процессов при разработке аккумуляторов или более совершенные алгоритмы оптимизации для логистики и финансов.
За последнее десятилетие исследователи из компаний и академических институтов по всему миру постепенно развивали эту технологию, финансируя её из частных и государственных источников, что составляет миллиарды долларов. Однако квантовые вычисления всё ещё находятся на начальном этапе развития. Пока неясно, когда они найдут прибыльное применение. В последнее время разработчики сосредоточились на масштабировании машин.
Ключевая задача создания более мощного квантового компьютера — реализация коррекции ошибок. Как и все компьютеры, квантовые компьютеры иногда допускают ошибки. Классические компьютеры исправляют эти ошибки, сохраняя избыточную информацию. Из-за особенностей квантовой механики квантовые компьютеры не могут этого делать и требуют специальных методов коррекции.
Квантовая коррекция ошибок подразумевает хранение одной единицы информации в нескольких кубитах, а не в одном. Конкретные методы зависят от конкретного аппаратного обеспечения квантового компьютера: некоторым машинам требуется больше кубитов на единицу информации, чем другим. В отрасли единица квантовой информации с исправленными ошибками называется «логическим кубитом». Для создания одного логического кубита Helios требуются два иона, или «физических кубита».
Это меньше физических кубитов, чем требуется в современных квантовых компьютерах, построенных на сверхпроводящих схемах. В 2024 году Google использовала 105 физических кубитов для создания одного логического кубита. В этом году IBM использовала 12 физических кубитов на один логический кубит, а Amazon Web Services — девять физических кубитов для создания одного логического кубита. Все три компании используют в качестве кубитов различные варианты сверхпроводящих схем.
Helios примечателен точностью своих кубитов, говорит Раджибул Ислам, физик из Университета Ватерлоо в Канаде, не связанный с Quantinuum. Уровень ошибок кубитов в этом компьютере изначально низок, что означает, что ему не нужно выделять много ресурсов на исправление ошибок. В Quantinuum пары кубитов взаимодействовали в ходе операции, известной как запутанность, и было обнаружено, что они вели себя ожидаемым образом в 99,921% случаев. «Насколько мне известно, ни одна другая платформа не достигает такого уровня», — говорит Ислам.
Это преимущество обусловлено конструктивным свойством ионов. В отличие от сверхпроводящих цепей, которые прикреплены к поверхности квантового вычислительного чипа, ионы на чипе Helios от Quantinuum можно перемещать. Поскольку ионы могут двигаться, они могут взаимодействовать с любым другим ионом в компьютере, что известно как «связность всех со всеми». Такая связность позволяет применять подходы к коррекции ошибок, использующие меньше физических кубитов. В отличие от них, сверхпроводящие кубиты могут взаимодействовать только со своими непосредственными соседями, поэтому вычисление между двумя несмежными кубитами требует нескольких промежуточных этапов с участием кубитов между ними. «Становится все более очевидным, насколько важна связность всех со всеми для этих высокопроизводительных систем», — говорит Страбли.
Тем не менее, пока неясно, какой тип кубита победит в долгосрочной перспективе. У каждого типа есть конструктивные преимущества, которые в конечном итоге могут облегчить масштабирование. Ионы (которые используются американским стартапом IonQ и Quantinuum) дают преимущество, поскольку они создают относительно мало ошибок, говорит Ислам: «Даже с меньшим количеством физических кубитов можно сделать больше». Однако сверхпроводящие кубиты производить проще. А кубиты, состоящие из нейтральных атомов, такие как квантовые компьютеры, созданные бостонским стартапом QuEra, «легче захватывать», чем ионы, говорит он.
Помимо увеличения количества кубитов на кристалле, ещё одним заметным достижением Quantinuum является демонстрация исправления ошибок «на лету», говорит Дэвид Хейс, директор компании по теории вычислений и проектированию. Это новая возможность для её машин. Графические процессоры Nvidia использовались для параллельного выявления ошибок в кубитах. Хейс считает, что графические процессоры более эффективны для исправления ошибок, чем микросхемы ПЛИС (FPGA), также используемые в отрасли.
Компания Quantinuum использовала свои компьютеры для исследования фундаментальных физических принципов магнетизма и сверхпроводимости. Ранее в этом году компания сообщила о моделировании магнита на H2, предшественнике Quantinuum, заявив, что его разработка «конкурирует с лучшими классическими подходами в расширении нашего понимания магнетизма». Помимо анонса Helios, компания использовала эту машину для моделирования поведения электронов в высокотемпературном сверхпроводнике.
«Это не надуманные проблемы, — говорит Хейс. — Это проблемы, которыми, например, очень интересуется Министерство энергетики».
Компания Quantinuum планирует построить ещё одну версию Helios на своём предприятии в Миннесоте. Компания уже начала создание прототипа компьютера четвёртого поколения Sol, который планируется выпустить в 2027 году. Он будет состоять из 192 физических кубитов. Затем, в 2029 году, компания надеется выпустить Apollo, который, по её словам, будет иметь тысячи физических кубитов и должен быть «полностью отказоустойчивым» или способным корректировать ошибки в больших масштабах.
Источник: www.technologyreview.com
