Ученые из Quantinuum объявили о создании Helios — революционного квантового компьютера, который, по их заявлению, является самым мощным из ныне доступных. Эта новая система превосходит по возможностям даже самые мощные суперкомпьютеры и потенциально требует больше энергии, чем квазар — невероятно яркий небесный объект — для достижения сопоставимой производительности с использованием обычных вычислительных методов. Это прорыв открывает огромный потенциал для научных открытий и технологического прогресса.
Архитектура Helios
В основе Helios лежит квантовый процессорный блок (QPU), состоящий из 98 физических кубитов, каждый из которых изготовлен из ионов бария. Эти кубиты расположены в уникальной конфигурации «ионной ловушки-перекрестка», напоминающей кольцо с перекрестным соединением в основании и простирающейся в два параллельных стержня.
Повышение производительности за счет коррекции ошибок
Эта особенная компоновка значительно улучшает обнаружение и исправление ошибок, что приводит к более высокой производительности по сравнению с существующими QPU. Ученые Quantinuum объединили 98 физических кубитов в 48 полностью исправленных логических кубитов. Эти логические кубиты функционируют как парные наборы, включающие запасные кубиты для минимизации вероятности сбоев. Команда продемонстрировала «производительность лучше точки безубыточности», что означает, что коды коррекции ошибок фактически улучшают выход процессора по сравнению с выполнением вычислений без них — непростая задача. В то время как предыдущие предположения предполагали соотношение физических кубитов к логическим 10:1, Quantinuum достигла впечатляющего соотношения 2:1, открывая путь к масштабированию до еще более крупных систем.
Новый язык программирования и управляющий движок
Для дополнения аппаратного обеспечения команда разработала Guppy — новый язык программирования на основе широко используемого Python, предназначенный для совместимости с будущими отказоустойчивыми системами. Важно отметить, что они также создали сложный стек управления, включая движок управления в реальном времени — «классический мозг» машины — который может обнаруживать и устранять ошибки. Этот движок использует графические процессоры Nvidia для декодирования информации об ошибках и отправки исправлений обратно квантовому компьютеру, обеспечивая эффективную работу и смягчение ошибок.
Бенчмаркинг и надежность
Система Helios продемонстрировала исключительную производительность в серии экспериментальных тестов. QPU достиг замечательной точности 99,921% для всех пар кубитов и 99,9975% точности для однокубитных квантовых операций. Команда побила предыдущие рекорды в бенчмарке случайной выборки цепей (RCS) — ранее установленные QPU Willow от Google — что еще больше укрепило позиции Helios как лидера в квантовых вычислениях.
Важность коррекции ошибок
Хотя некоторые квантовые компьютеры имеют больше физических кубитов, производительность зависит от качества кубитов и минимизации частоты ошибок. Именно поэтому ученые все больше сосредотачиваются на квантовой коррекции ошибок (QEC), которая решает проблему значительно более высоких частот ошибок в кубитах по сравнению с битами в обычных компьютерах.
Новые открытия с помощью моделирования
Чтобы продемонстрировать возможности Helios, ученые смоделировали высокотемпературный сверхпроводящий металл, обнаружив ранее неизвестное поведение электронов. Они выяснили, что электроны объединяются посредством запутанности в сверхпроводящем состоянии — «подпись сверхпроводимости» — и эта подпись исчезает, когда металл не является сверхпроводящим.
Наблюдение за ненаблюдаемым
Это наблюдение вытекает из модели, основанной на предыдущем эксперименте, в котором ученые кратковременно индуцировали сверхпроводимость в кусочке металла La3Ni2O. Это моделирование позволило ученым наблюдать явления на атомном уровне — что невозможно в традиционных «мокрых» экспериментах, где материал присутствует. Новая машина является первым квантовым компьютером, способным наблюдать это явление, открывая новые возможности для исследований в области материаловедения.
Путь вперед
Установив эту инновационную архитектуру квантового вычисления, Quantinuum уверена в ее масштабируемости. Конструкция ионной ловушки-перекрестка позволяет эффективно направлять и объединять кубиты, и исследователи видят интеграцию многочисленных таких соединений в будущие машины, обеспечивая массивное масштабирование и приближая квантовые вычисления к превосходству над возможностями классических суперкомпьютеров.
«В некотором роде можно представить это как перекресток для кубитов, чтобы направлять их действительно эффективно и объединять их», — сказал Хейс, ссылаясь на соединение, расположенное за кольцом в новой компоновке. «И теперь, когда у нас это работает, мы думаем, что это должно быть довольно просто, чтобы вставлять многие из этих вещей, пытаясь закрыть окно в машину следующего поколения и действительно масштабировать эти машины до огромных чисел».
Разработка Helios представляет собой значительный шаг вперед в квантовых вычислениях, предлагая беспрецедентную мощность и точность для научных исследований и прокладывая путь к будущим прорывам в различных областях.
