Wetenschappers van Quantinuum hebben de creatie aangekondigd van Helios, een baanbrekende kwantumcomputer waarvan wordt beweerd dat deze de krachtigste is die momenteel beschikbaar is. Dit nieuwe systeem beschikt over mogelijkheden die zelfs de krachtigste supercomputers overtreffen en vereist potentieel meer energie dan een quasar – een ongelooflijk helder hemellichaam – om vergelijkbare prestaties te bereiken met behulp van conventionele computermethoden. De doorbraak biedt een enorm potentieel voor wetenschappelijke ontdekkingen en technologische vooruitgang.
De architectuur van Helios
De kern van Helios wordt gevormd door een kwantumverwerkingseenheid (QPU) die bestaat uit 98 fysieke qubits, elk gemaakt van bariumionen. Deze qubits zijn gerangschikt in een unieke “junction ion trap” -formatie, die lijkt op een ring met een crossover-overgang aan de basis en zich uitstrekt in twee parallelle staven.
Prestaties verbeteren door foutcorrectie
Deze onderscheidende opstelling verbetert de foutdetectie en -correctie aanzienlijk, wat leidt tot superieure prestaties vergeleken met bestaande QPU’s. Quantinuum-wetenschappers hebben dit bereikt door de 98 fysieke qubits samen te voegen tot 48 volledig foutgecorrigeerde logische qubits. Deze logische qubits functioneren als gepaarde sets en bevatten reserve-qubits om de kans op storingen te minimaliseren. Het team demonstreerde “beter dan break-even-prestaties”, wat betekent dat foutcorrectiecodes feitelijk de output van de processor verbeteren in vergelijking met het uitvoeren van berekeningen zonder deze – een uitdagende prestatie. Terwijl eerdere aannames een verhouding van 10:1 tussen fysieke en logische qubits suggereerden, behaalde Quantinuum een indrukwekkende verhouding van 2:1, wat de weg vrijmaakte voor opschaling naar nog grotere systemen.
Nieuwe programmeertaal en besturingsengine
Als aanvulling op de hardware ontwikkelde het team Guppy, een nieuwe programmeertaal gebaseerd op het veelgebruikte Python, ontworpen voor compatibiliteit met toekomstige fouttolerante systemen. Cruciaal was dat ze ook een geavanceerde controlestack bouwden, inclusief een real-time controle-engine – het ‘klassieke brein’ van de machine – die fouten kan detecteren en oplossen. Deze engine maakt gebruik van Nvidia GPU’s om foutinformatie te decoderen en correcties terug te sturen naar de kwantumcomputer, waardoor een efficiënte werking en foutbeperking wordt gegarandeerd.
Benchmarking en betrouwbaarheid
Het Helios-systeem heeft uitzonderlijke prestaties laten zien in een reeks benchmarkexperimenten. De QPU behaalde een opmerkelijke betrouwbaarheid van 99,921% voor alle qubit-paren en een betrouwbaarheid van 99,9975% voor kwantumpoorten met één qubit. Het team brak eerdere records in de Random Circuit Sampling (RCS)-benchmark, eerder vastgesteld door Google’s Willow QPU, waardoor de positie van Helios als leider op het gebied van kwantumcomputing verder werd verstevigd.
Het belang van foutcorrectie
Hoewel sommige kwantumcomputers meer fysieke qubits hebben, zijn de prestaties afhankelijk van de kwaliteit van de qubit en het minimaliseren van de foutpercentages. Dit is de reden waarom wetenschappers zich steeds meer richten op kwantumfoutcorrectie (QEC), waarmee de aanzienlijk hogere foutpercentages in qubits worden aangepakt in vergelijking met bits in conventionele computers.
Nieuwe ontdekkingen door middel van simulatie
Om de mogelijkheden van Helios te demonstreren, simuleerden wetenschappers een supergeleidend metaal op hoge temperatuur, waardoor voorheen onbekend elektronengedrag werd onthuld. Ze ontdekten dat elektronen zich paren door verstrengeling terwijl ze zich in een supergeleidende toestand bevinden – een ‘kenmerk van supergeleiding’ – en deze handtekening verdwijnt als het metaal niet supergeleidend is.
Het onwaarneembare observeren
Deze observatie kwam voort uit een model gebaseerd op een eerder experiment waarbij wetenschappers kortstondig supergeleiding induceerden in een stuk La3Ni2O-metaal. Deze simulatie stelde wetenschappers in staat fenomenen op atomair niveau te observeren – iets wat onmogelijk is in traditionele ‘natte laboratorium’-experimenten waarbij het materiaal aanwezig is. De nieuwe machine is de eerste kwantumcomputer die dit fenomeen kan waarnemen en opent nieuwe wegen voor materiaalwetenschappelijk onderzoek.
De weg vooruit
Nu Quantinuum deze innovatieve quantumcomputerarchitectuur heeft opgezet, heeft het vertrouwen in de schaalbaarheid ervan. Het ontwerp van de junctie-ionenval maakt efficiënte qubit-routing en -koppeling mogelijk, en onderzoekers voorzien de integratie van talloze van dergelijke knooppunten in toekomstige machines, waardoor grootschalige schaalvergroting mogelijk wordt en kwantumcomputing dichter bij de capaciteiten van klassieke supercomputers komt.
“Je kunt het zien als een verkeersknooppunt voor de qubits om ze heel efficiënt te routeren en aan elkaar te koppelen”, zei Hayes, verwijzend naar het kruispunt dat volgt op de ring in de nieuwe regeling. “En nu we deze werkend hebben, denken we dat het vrij eenvoudig zou moeten zijn om veel van deze dingen in te voegen in een poging het venster naar de volgende generatie machines te sluiten en deze machines echt op te schalen naar enorme aantallen.”
De ontwikkeling van Helios vertegenwoordigt een aanzienlijke sprong voorwaarts in quantum computing, biedt ongekende kracht en precisie voor wetenschappelijk onderzoek en maakt de weg vrij voor toekomstige doorbraken op verschillende gebieden.
