Влезте в Helios: Квантовият компютър с 98 кубита променя бъдещето на технологиите (ВИДЕО)

В лаборатория в Брумфийлд, Колорадо, 98 атома са окачени във въздуха, задържани на място от електрически полета и охладени до температури, близки до абсолютната нула. Всеки атом е далеч по-малък от всичко, което невъоръженото око би могло да види, но въпреки това всеки носи информация във форма, която няма еквивалент в класическата физика.

Заедно те образуват Helios, нов квантов компютър, създаден от британско-американската компания Quantinuum. Квантовите компютри използват силата на квантовата механика, правилата, които управляват начина, по който физиката работи на атомно и субатомно ниво. Тези, които използват модела на Helios за суспендирани атоми, са известни като компютри с капан-йон, пише Asia Times.

Статията, публикувана в Nature, го описва като 98-кубитов процесор с много висока точност и производителност, който надхвърля това, което лесно може да се симулира на класически машини.

Звучи впечатляващо, но важният въпрос не е просто дали това е по-голям квантов компютър (предишният най-голям, System Model H2 , имаше 56 кубита). А дали е по-добър.

Квантовите компютри не са просто по-бързи версии на обикновените компютри. Кюбитите (квантовите битове) , които те използват за обработка на информация, могат да съществуват в квантови състояния, които не се държат като единиците и нулите на конвенционалните цифрови технологии.

Това позволява някои изчисления да бъдат организирани по начин, който евентуално може да надмине дори най-големите суперкомпютри. Възможните приложения са завладяващи: нови материали, по-добри методи за оптимизация, подобрени химични симулации и нови подходи към криптографията.

Трудността е, че кюбитовете са изключително крехки. Те се нарушават от температурни колебания, несъвършен контрол, нежелани взаимодействия с околната среда и, в някои системи, дори от самото преместване на информация в устройството.

Поради тази причина, надпреварата в квантовите изчисления не е само за това да имаме повече кюбити. Тя е за това да имаме повече добри кюбити, контролирани достатъчно точно, за да извършват дълги и смислени изчисления.

Ето защо резултатът на Helios е важен. Квантовите изчисления обещават да променят света от десетилетия, но много от съобщенията все още се фокусират върху броя на кюбитите.

Това е все едно да съдите състезание по броя на бегачите на стартовата линия. Важното е колко от тях ще стигнат до финала и в какво състояние. Helios приема сериозно и двете страни на това предизвикателство. 98-те кубита не само са сравнително големи, но и отчитат много ниски нива на грешки в този мащаб.

Грешките са по-често срещани при квантовите компютри, отколкото при класическите, така че коригирането на грешки е голямо предизвикателство в тази област.

В статията в Nature е посочен среден процент на грешки за еднокубитови гейтове от около 2,5 на 100 000 за Helios. Квантовият гейт е градивният елемент на веригата в квантовите компютри.

За двукубитовите порти в Helios, които са по-трудни и по-важни за полезни изчисления, средният процент на грешки е около 7,9 на 10 000. Това е подобно на най-добрите демонстрации от около 5 на 10 000 грешки.

Квантовите операции са кумулативни. Малка грешка в една стъпка може да не е от голямо значение, но един полезен квантов алгоритъм може да изисква хиляди, милиони или повече операции. По-ниските нива на грешки означават, че по-сложни изчисления стават възможни, преди квантовата информация да се разпадне.

Другата забележителна характеристика на Helios е свързаността „всички към всички“. В много квантови компютри кубитите могат да взаимодействат само с най-близките си съседи, подобно на хората, които могат да говорят само с тези, които седят до тях. Ако два отдалечени кубита трябва да взаимодействат, информацията трябва да се премести през верига от междинни стъпки. Всяка допълнителна стъпка добавя време и грешки.

В Helios всеки кубит може по принцип да взаимодейства с всеки друг. Това е особено ценно за алгоритми, където необходимият модел на взаимодействия не се вписва точно във фиксирана мрежа.

Хардуерът, който стои зад това, също е интересен. Квантовите компютри с хващане на йони , като Helios, използват заредени атоми като кубити. Тези йони се задържат с помощта на електрически полета и се манипулират с лазерни импулси.

Подходът е известен с висока точност, но увеличаването му на мащаба, като същевременно се запази тази точност, е технически трудно. Helios използва бариеви йони в така наречената архитектура на квантово зарядно-свързано устройство или QCCD. Полезен начин да се представи като малка квантова железница.

Йоните могат да се съхраняват в области на паметта и физически да се преместват в оперативни зони, когато компютърната програма се нуждае от изчисление, използващо определени кубити. В тези оперативни зони внимателно контролирани лазерни импулси изпълняват основните стъпки на квантов алгоритъм, известен като квантови порти.

Тези порти променят квантовото състояние на един йон или свързват състоянията на два йона, позволявайки на компютъра да обработва информация. В Helios, пръстеновидна зона за съхранение и кръстовище помагат за насочването на йоните около устройството.

Това разделяне на съхранението, движението и изчисленията не е просто интелигентно инженерство. То е знак, че квантовите изчисления стават по-скоро като пълноценна изчислителна система, отколкото като колекция от впечатляващи лабораторни компоненти.

Машината използва и софтуер, който може да взема решения за маршрутизиране и управление, докато програмата работи. На практика това означава да се реши кой физически йон трябва да представлява всеки кубит, кои йони трябва да бъдат преместени в оперативните зони и в какъв ред трябва да се изпълнят квантовите гейтове.

Това е важно за по-напреднали квантови програми, особено за тези, при които по-късните стъпки могат да зависят от измерванията, направени по време на изчисленията.

И в статията се съобщава, че Helios може да изпълнява произволни квантови схеми, които биха били изключително трудни за симулиране на класически машини. Това е важен показател, но не е същото като наличието на общо взето полезен квантов компютър.

Случайното вземане на проби от вериги тества мощността и сложността на машината; само по себе си то не решава проблеми в медицината, климатологията или инженерството.

И така, колко голям напредък е Helios? Той е сериозен, защото дори и да не е отправната точка на квантова революция, той съчетава мащаб, точност, свързаност и програмируемост в една машина.

Това е напомняне, че трансформативните технологии рядко се появяват с един скок; те се изграждат стъпка по стъпка, атом по атом, докато невъзможното започне да изглежда проектирано.

Автор: Доменико Вичинанза е доцент по интелигентни системи и наука за данни в университета Англия Ръскин.