„Toto je snadno nejvýkonnější kvantový počítač na Zemi“: Vědci odhalili Helios, rekordní kvantový systém
Vědci z Quantinua odhalili nejvýkonnější kvantový počítač na světě. Tým tvrdí, že nový systém je schopen vyřešit problém, který by superpočítač zvládl, pouze pokud by spotřeboval více energie, než je celková příkon kvasaru — jeden z nejjasnějších objektů ve vesmíru.
Srdcem nového stroje, známého jako Helios, je a kvantová zpracovatelská jednotka (QPU) s 98 fyzické qubity vyrobené z iontů barya. Tyto qubity jsou uspořádány ve formaci „spojovací iontové pasti“ – malé, prstencové struktuře, která tvoří křížový spoj na základně, než se rozšíří do dvou paralelních tyčí.
Vědci tvrdí, že se jedná o nejvýkonnější kvantový počítač na světě poté, co prošel řadou srovnávacích experimentů. Stroj také použili k simulaci supravodivého kovu a učinili nový objev o atomovém chování materiálu.
„V současné době je to snadno nejvýkonnější kvantový počítač na Zemi,“ David Hayesředitel výpočetního designu a teorie v Quantinuum, řekl Live Science. „Vůbec se za to nestydím.“
Anatomie kvantového počítače
Vědci spojili 98 fyzických qubitů do 48 logických qubitů s plně opravenou chybou (48 párů se dvěma náhradními) – kolekce qubitů, které sdílejí data, aby se minimalizovalo riziko selhání, pokud by v jednom z nich došlo k chybě. Tím dosáhl „lepšího než zlomového výkonu,“ řekl Hayes.
„Lepší než zlomový výkon“ znamená, že procesor funguje lépe ve výpočtech v reálném světě s aplikovanými kódy pro opravu chyb než bez jakéhokoli úsilí o opravu chyb – což není tak snadné, jak to zní.
Dosud vědci předpokládali, že pro logické qubity budou potřebovat poměr 10:1 (přibližně 10 fyzických qubitů zapletených k vytvoření jednoho logického qubitu), řekl Hayes, ale vědci z Quantinua to snížili na 2:1.
Prováděli také experimenty s 50 a 96 logickými qubity, ale výsledky nebyly tak působivé. Dosažení dobrých výsledků s 46 však v budoucnu usnadní stavbu mnohem větších strojů, až je vědci zvětší na miliony qubitů – což je nezbytné k překonání nejrychlejších superpočítačů, dodal Hayes.
Kromě toho vědci vytvořili nový programovací jazyk nazvaný Guppy, který je založen na široce používaném jazyce Python a je navržen tak, aby byl kompatibilní s budoucími systémy odolnými proti chybám. Vytvořili také zcela nový řídicí systém, aby řídicí engine – klasický mozek stroje – mohl detekovat a řešit chyby v reálném čase.
Řídicí engine funguje jako klasický počítač a navrhuje kvantové obvody za chodu. Poté Helios používá GPU Nvidia k dekódování chybových informací a poté odesílá opravy zpět do kvantového počítače, aby se chyby snížily.
„Nyní musí myslet dostatečně rychle, aby mohla dostatečně rychle naplánovat a změnit kvantový problém, aby qubity neseděly a nedefázovaly a dekoherovaly (ztrácely křehký kvantový stav, ve kterém mohou probíhat klaulace) a všechny tyto věci,“ řekl Hayes. „Konečně jsme zvládli tento řídicí motor v reálném čase, který je nezbytný pro odolnost proti chybám, a je nedílnou součástí nového stroje.“
Chyba kvantového výpočtu
„Myšlenka byla, když jsme poprvé začali s (předchozími QPU Quantinuum) H1 a H2jen jsme se snažili něco zprovoznit – vytvořit systém,“ řekl Hayes. „A jakmile jsme to udělali, začali jsme zkoumat tyto experimenty s kvantovou korekcí chyb a začali jsme si velmi rychle uvědomovat, že potřebujeme něco jiného.“
Ve studii dosáhl stroj mnohem vyššího skóre v různých kvantových srovnávacích testech než jakýkoli stroj, který byl dosud veřejně představen. QPU zaznamenalo 99,921% věrnost napříč všemi qubitovými páry a 99,9975% věrnost napříč single-qubitovými kvantovými hradly (výpočty, které běží na jednotlivých qubitech), uvedli.
Srovnávací experimenty zahrnovaly široce používaný benchmark náhodného vzorkování obvodu (RCS), který Google poprvé vymyslel v roce 2019 a poté jej posunul na hranice svých možností. Willow QPU v roce 2024. Quantinuum tento rekord loni překonalo se svým 56-qubitový kvantový počítač H2-1.
Ačkoli mnoho kvantových počítačů má více fyzických qubitů než nový systém, výkon závisí více na kvalitě qubitů – a minimalizaci jejich sklonu k selhání. To je důvod, proč se vědci v poslední době zaměřili na kvantová oprava chyb (QEC).
To má za cíl řešit extrémně vysokou chybovost v qubitech vzhledem k bitům v klasickém počítání; V konvenčních počítačích selže 1 z 1 bilionu bitů oproti přibližně 1 z 1 000 qubitů v kvantových počítačích (bez jakéhokoli zásahu nebo úsilí o opravu chyb).
Využití kvantových počítačů k novým objevům
Aby vědci otestovali svůj nový stroj, použili Helios k modelování vysokoteplotního supravodivého kovu, aby objevili dříve neznámé chování elektronů. Zjištění podrobně popsali v další studii zveřejněné 3. listopadu arXiv předtiskovou databázi.
Ve studii zjistili, že elektrony se párují prostřednictvím zapletení, takže mají sdílenou identitu, zatímco kov je v supravodivém stavu. Tento „podpis supravodivosti“ není přítomen, když kov není supravodivý, řekl Hayes.
Model byl založen na předchozím experimentu, ve kterém vědci posvítili světlem na kus kovu — the nedávno objevený The3V2O — aby byl supravodivý při pokojové teplotě po velmi krátkou dobu. Simulace odhalila supravodivé signatury. V „mokré laboratoři“, kde je skutečně přítomen kus kovu, řekl Hayes, nemůžete toto chování u jednotlivých elektronů vidět.
Vědci již dříve provedli další experimenty na analogových kvantových simulátorech – jednoduchých kvantových systémech, které napodobují ty složitější – které modelují, jak by se kus kovu mohl chovat, poznamenal Hayes. Nedokážou však měřit jednotlivé částice a zkoumat je stejně jako digitální kvantový počítač. Dodal, že nový stroj je prvním kvantovým počítačem schopným pozorovat tento jev.
Po odhalení nové architektury kvantových počítačů je Hayes přesvědčen, že vědci ji mohou začít zvětšovat, aby mnoho z těchto iontových pastí mohlo spolupracovat v budoucích strojích.
„Můžete si to představit jako dopravní křižovatku pro qubity, abyste je skutečně efektivně nasměrovali a spárovali,“ řekl Hayes, když v novém uspořádání odkazoval na křižovatku po prstenci. „A teď, když tento funguje, myslíme si, že by mělo být docela jednoduché vložit spoustu těchto věcí, které se snaží zavřít okno do stroje nové generace, a skutečně zvětšit tyto stroje na obrovská čísla.“
