Forskere i Broomfield, Colorado, arbejder med 98 atomer suspenderet i et laboratorium, holdt på plads af elektriske felter og afkølet til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Disse små elementer bærer information på en unik måde, der er forskellig fra traditionel fysik.
Foreningen af disse atomer gav anledning til Helios, en innovativ kvantecomputer udviklet af det anglo-amerikanske firma Quantinuum. Kvantemaskiner anvender principperne for kvantemekanik, som beskriver stoffets adfærd på atomare og subatomare niveauer. Helios er med sin model af suspenderede atomer klassificeret som en fanget ion-computer.
En undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature beskriver Helios som en 98-qubit-processor, der tilbyder enestående præcision og ydeevne, der overgår simuleringsmulighederne for konventionelle computere. Selvom antallet af qubits er bemærkelsesværdigt (den tidligere model, System Model H2, havde 56), er det afgørende punkt dens effektivitet.
Kvantecomputere repræsenterer ikke kun en hurtigere udvikling af traditionelle maskiner. Qubits, deres kvantebit, kan antage flere tilstande samtidigt, i modsætning til digitale nuller og enere. Denne funktion gør det muligt at strukturere beregninger, der i fremtiden kan overstige kraften i de mest robuste supercomputere. Potentielle applikationer omfatter udvikling af nye materialer, procesoptimering, avancerede kemiske simuleringer og nye løsninger til kryptografi.
Den største udfordring er dog den høje skrøbelighed af qubits. De er følsomme over for temperatursvingninger, upræcise kontroller, uønskede miljøinteraktioner og i nogle tilfælde endda dataforskydning i systemet. Fremskridt inden for kvanteberegning måles således ikke kun ved mængden af qubits, men ved deres kvalitet og evnen til at kontrollere dem med den nøjagtighed, der er nødvendig for komplekse og relevante operationer.
Vigtigheden af Helios fremskridt for kvanteberegning
Af denne grund er resultaterne af Helios-eksperimentet afgørende. Quantum computing har holdt løfter om transformation i årtier, men de fleste af meddelelserne fokuserer stadig på antallet af qubits. Det svarer til at bedømme et løb ud fra antallet af deltagere ved starten, uden at tage højde for hvor mange der når i mål og i hvilken tilstand. Helios adresserer denne dualitet seriøst og tilbyder 98 qubits, hvilket ikke kun er meget, men også opretholder usædvanligt lave fejlrater for denne skala.
Forekomsten af fejl er hyppigere i kvantecomputere end i konventionelle, hvilket gør fejlkorrektion til en af de største udfordringer på dette område.
Ifølge Nature-artiklen registrerer Helios en gennemsnitlig fejlrate på cirka 2,5 ud af 100.000 for single-qubit-gates, som er de grundlæggende enheder i et kvantekredsløb. For to-qubit-gates, som er mere sofistikerede og afgørende for praktiske beregninger, er gennemsnittet omkring 7,9 ud af 10.000, et niveau, der kan sammenlignes med de bedst demonstrerede ydeevner, som når 5 ud af 10.000.
Kvanteoperationer akkumuleres, og en lille fejl i ét trin kan have en begrænset effekt. Imidlertid kan komplekse kvantealgoritmer involvere tusinder, millioner eller endnu flere operationer. Derfor er reducerede fejlprocenter afgørende, da de gør det muligt at udføre mere omfattende beregninger, før sammenhængen i kvanteinformationen går tabt.
En anden vigtig differentiator af Helios er dens komplette tilslutningsmuligheder. I flere kvantecomputere kan qubits kun interagere med dem, der er tættest på dem, såsom samtaler begrænset til naboer. Hvis fjerne qubits skal kommunikere, skal informationen gennemgå en række mellemliggende trin, som hver især øger tiden og risikoen for fejl. I Helios kan enhver qubit imidlertid interagere med enhver anden, hvilket er særligt nyttigt for algoritmer, hvis interaktionsmønstre ikke tilpasser sig en fast struktur.
Helios arkitektur: en miniature kvantejernbane
Helios hardwarestrukturen er lige så fascinerende. Fangede-ion kvantecomputere som ham anvender ladede atomer som qubits. Disse ioner er indeholdt af elektriske felter og styret af laserimpulser. Denne metode er anerkendt for sin høje præcision, selvom det er en teknisk udfordring at udvide den uden at miste denne nøjagtighed. Helios bruger bariumioner i en Quantum Charge Coupled Device, eller QCCD, som kan opfattes som en lille kvantejernbane.
Ionerne lagres i hukommelsessektorer og flyttes fysisk til driftsområder efter behov af programmet for at udføre beregninger med specifikke qubits. I disse zoner udfører stramt kontrollerede laserimpulser de grundlæggende operationer af kvantealgoritmer, såkaldte kvanteporte. Disse porte ændrer tilstanden af en ion eller forbinder to ioners tilstande, hvilket gør det muligt for computeren at behandle data. I Helios hjælper en ringopbevaringsplads og forbindelsesled med at lede ioner gennem systemet.
Denne klare skelnen mellem opbevarings-, bevægelses- og behandlingsfunktioner repræsenterer mere end en ingeniørmæssig bedrift. Det indikerer, at kvanteberegning er ved at udvikle sig til at blive et integreret beregningssystem, der overgår fasen af at være et blot sæt af imponerende laboratoriekomponenter.
Systemet har også software, der styrer routing og kontrollerer beslutninger under afviklingen af programmer. I praksis involverer dette at bestemme, hvilken fysisk ion, der vil fungere som hver qubit, hvilke ioner der skal flyttes til driftszonerne, og i hvilken rækkefølge kvanteportene vil blive anvendt. Denne funktion er afgørende for komplekse kvantealgoritmer, især dem, hvor fremtidige trin afhænger af målinger taget under behandlingen.
Undersøgelsen viser, at Helios er i stand til at udføre tilfældige kvantekredsløb, hvis simulering ville være ekstremt kompleks for klassiske computere. Selvom dette er et betydeligt fremskridt, kvalificerer det det ikke som en kvantecomputer til generelle formål. Sampling af tilfældige kredsløb tjener til at teste maskinens kapacitet og kompleksitet, men løser ikke i sig selv problemer inden for medicin, klimatologi eller teknik.
Hvad er så den reelle størrelse af Helios’ fremskridt? Dette er en betydelig udvikling, for selvom det ikke er kulminationen på en kvanterevolution, integrerer det aspekter som skalerbarhed, præcision, tilslutningsmuligheder og programmerbarhed i en enkelt maskine. Denne præstation forstærker ideen om, at revolutionære teknologier sjældent dukker pludseligt op; de bygges gradvist, atom for atom, indtil det, der blev anset for umuligt, bliver en håndgribelig realitet.
