Vědci vytvořili „nejpřesnější“ kvantový výpočetní čip všech dob díky nové výpočetní architektuře na bázi křemíku
Fyzici ze Silicon Quantum Computing vyvinuli to, co považují za nejpřesnější kvantové počítání čip, který byl kdy navržen po vybudování nového druhu architektury.
Zástupci startupu se sídlem v Sydney tvrdí, že jejich atomové kvantové výpočetní čipy na bázi křemíku jim dávají výhodu oproti jiným druhům kvantové procesorové jednotky (QPU). Důvodem je to, že čipy jsou založeny na nové architektuře, nazvané „14/15“, která umísťuje atomy fosforu do křemíku (pojmenovaný tak, protože jsou 14. a 15. prvkem v periodické tabulce). Svá zjištění nastínili v nové studii zveřejněné 17. prosince v časopise Nature.
SQC dosáhl míry věrnosti mezi 99,5 % až 99,99 % v kvantovém počítači s devíti jadernými qubity a dvěma atomovými qubity, což vedlo k první demonstraci atomového kvantového počítání na bázi křemíku na světě napříč samostatnými shluky.
Míra věrnosti měří, jak dobře fungují techniky opravy chyb a zmírňování chyb. Zástupci společnosti říkají, že dosáhli nejmodernější chybovosti na jejich zakázkové architektuře.
To nemusí znít tak vzrušující jako kvantové počítače s tisíci qubitů, ale architektura 14/15 je masivně škálovatelná, uvedli vědci ve studii. Dodali, že prokázání špičkové věrnosti napříč více clustery slouží jako důkaz konceptu toho, co by teoreticky mohlo vést k chybám odolným QPU s miliony funkčních qubitů.
Tajná omáčka je křemík (se stranou fosforu)
Kvantové výpočty se provádějí na stejném principu jako binární výpočty – k provádění výpočtů se používá energie. Ale namísto použití elektřiny k přepínání přepínačů, jak je tomu v případě tradičních binárních počítačů, kvantové výpočty zahrnují vytváření a manipulaci s qubity – kvantovým ekvivalentem bitů klasického počítače.
Qubity přicházejí v mnoha podobách. Vědci z Googlu a IBM budují systémy se supravodivými qubity, které používají hradlové obvody, zatímco některé laboratoře, jako je PsiQuantum, vyvinuly fotonické qubity – qubity, které jsou částicemi světla. Jiní, včetně IonQ, pracují se zachycenými ionty – zachycují jednotlivé atomy a drží je v zařízení označovaném jako laserová pinzeta.
Obecnou myšlenkou je použít kvantovou mechaniku k manipulaci s něčím velmi malým takovým způsobem, aby bylo možné provádět užitečné výpočty z jeho potenciálních stavů. Zástupci SQC říkají, že jejich postup je jedinečný v tom, že QPU jsou vyvíjeny pomocí architektury 14/15.
Vytvářejí každý čip umístěním atomů fosforu do čistých křemíkových plátků.
„Je to nejmenší druh velikosti prvku v křemíkovém čipu,“ Michelle SimmonsováCEO SQC, řekl Live Science v rozhovoru. „Je to 0,13 nanometru a je to v podstatě druh délky vazby, kterou máte ve vertikálním směru. Je to o dva řády méně než obvykle to, co TSMC dělá jako svůj standard. Je to docela dramatický nárůst přesnosti.“
Zvyšování zítřejšího počtu qubitů
Aby vědci dosáhli škálování v kvantovém počítání, každá platforma má různé překážky, které je třeba překonat nebo zmírnit.
Jednou univerzální překážkou pro všechny platformy kvantových počítačů je oprava chyb (QEC). Kvantové výpočty probíhají v extrémně křehkých prostředích s qubity citlivými na elektromagnetické vlny, kolísání teploty a další podněty. To způsobí, že se superpozice mnoha qubitů „zhroutí“ a stanou se neměřitelnými – s kvantovou informací ztracenou během výpočtů.
Aby to bylo kompenzováno, většina platforem kvantových počítačů věnuje řadu qubitů na zmírnění chyb. Fungují podobným způsobem pro kontrolu nebo paritní bity v klasické síti. Ale jak se zvyšuje počet qubitů, roste i počet qubitů potřebných pro QEC.
„Máme tyto dlouhé koherenční časy jaderných spinů a máme jen velmi málo toho, čemu říkáme „chyby převrácení bitů.“ Takže naše kódy pro opravu chyb samy o sobě jsou mnohem efektivnější. Nemusíme opravovat chyby kvůli malému převrácení a fázi,“ řekl Simmons.
V jiných kvantových systémech na bázi křemíku jsou chyby převrácení bitů výraznější, protože qubity mají tendenci být méně stabilní, když se s nimi manipuluje s hrubší přesností. Protože jsou čipy SQC konstruovány s vysokou přesností, jsou schopny zmírnit určité výskyty chyb, ke kterým dochází na jiných platformách.
„Opravdu musíme opravit pouze ty fázové chyby,“ dodal Williams. „Takže kódy pro opravu chyb jsou mnohem menší, a proto je celá režie, kterou děláte pro opravu chyb
je hodně, hodně snížená.“
Závod o překonání Groverova algoritmu
Standardem pro testování věrnosti v kvantovém výpočetním systému je rutina zvaná Groverův algoritmus. Navrhl jej počítačový vědec Miluji Grovera v roce 1996 demonstrovat, zda kvantový počítač může prokázat „výhodu“ oproti klasickému počítači při specifické vyhledávací funkci.
Dnes se používá jako diagnostický nástroj k určení, jak efektivně fungují kvantové systémy. V zásadě platí, že pokud laboratoř může dosáhnout kvantové výpočetní věrnosti v rozsahu 99,0 % a výše, má se za to, že dosáhla kvantových výpočtů s opravenými chybami a odolnými proti chybám.
V únoru 2025 SQC zveřejnila studii v časopise Příroda ve kterém tým prokázal 98,9% míru věrnosti algoritmu Grover s jeho architekturou 14/15.
V tomto ohledu SQC překonala firmy jako IBM a Google; i když prokázaly konkurenční výsledky s desítkami nebo dokonce stovkami qubitů oproti čtyřem qubitům SQC.
IBM, Google a další významné projekty stále testují a opakují své příslušné plány. Jak však zvyšují počet qubitů, jsou nuceni přizpůsobit své techniky zmírňování chyb. QEC se ukázalo být jedním z nejobtížněji překonatelných úzkých míst.
Ale vědci z SQC tvrdí, že jejich platforma je tak „chybějící“, že dokázala překonat rekord na Grover’s, aniž by kromě qubitů provedla jakoukoli opravu chyb.
„Když se podíváte na výsledek Grovera, který jsme vyprodukovali na začátku roku, máme album Grover s nejvyšší věrností na 98,87 % teoretického maxima, a proto vůbec neděláme žádné opravy chyb,“ řekl Simmons.
Williams říká, že qubitové „klastry“ obsažené v novém 11-qubitovém systému lze škálovat tak, aby reprezentovaly miliony qubitů – i když úzká místa v infrastruktuře mohou pokrok zpomalit.
„S přihlédnutím k větším systémům samozřejmě budeme opravovat chyby,“ řekl Simmons. „Každá společnost to musí udělat. Ale počet qubitů, které budeme potřebovat, bude mnohem menší. Fyzický systém bude proto menší. Požadavky na napájení budou menší.“
