Суперкомпютрите остават в миналото. 96-кубитовият Helios с Python е готов да реши „нерешимите“ проблеми

Quantinuum представи ново поколение йонни квантови компютри, наречени Helios, които отбелязват важна стъпка в развитието на квантовите изчисления. Неговата архитектура съчетава уникални инженерни решения с подобрена управляемост и увеличен брой кубити – от 56 на 96, като същевременно производителността и точността на операциите не са намалели. Разработката открива пътя към по-сложни квантови модели, включително моделиране на свръхпроводимостта.

Основното предимство на квантовите системи от йони и атоми е, че самите кубити не са изкуствено създадени – всеки атом е идентичен и проявява стабилно поведение. В йонните системи частиците се задържат и преместват чрез електромагнитни полета, което позволява изграждането на взаимосвързани мрежи от кубити с висока степен на управляемост. С нарастването на броя на кубитите обаче инженерите се изправят пред предизвикателството как ефективно да преместват йоните и да ги свързват за целите на изчисленията, без да губят кохерентността на системата.

В Helios инженерите на Quantinuum са приложили принципно нов подход – йоните се движат по кръгова „магистрала“ и могат да бъдат насочени към един от двата края чрез Х-образен възел. Тази схема позволява гъвкаво управление на процеса на взаимодействие на кубитите: необходимите йони могат да бъдат преместени в работните зони за извършване на операции и след това да се върнат в хранилището. Компанията сравнява този процес с работата на твърдия диск, при който данните преминават циклично през зоната за четене и запис. Благодарение на насоченото движение на йоните се избягват „задръстванията“ и ненужните пермутации, които могат да доведат до грешки.

Новата система за управление се базира на графични процесори и е в състояние да анализира състоянието на кубитите в реално време, като коригира командите в движение. За потребителите е създаден актуализиран програмен интерфейс Guppy, базиран на Python. Той поддържа условни конструкции и цикли, което дава възможност да се реализират процедури за корекция на грешките и сложни алгоритми с динамично преразпределение на кубитите. Helios може да работи както с 94 физически кубита при откриване на грешки, така и в режим на 48 логически кубита с корекция – това е така нареченият „конкатентен“ код, който съчетава двата вида схеми за защита.

За да демонстрират възможностите на новата архитектура, изследователите от Quantinuum реализираха върху Helios квантовия модел на Ферми-Хъбард – теоретично приближение, използвано за изучаване механизма на свръхпроводимостта. Моделът помага да се разбере как електроните образуват Куперови двойки и преодоляват взаимното отблъскване. Дори при сегашното ниво на грешките в схемите резултатите са близки до перфектните, което според учените е неочаквано откритие. По време на експериментите те са успели да изследват триизмерната решетка от атоми и поведението на материала при излагане на лазерен импулс, който за кратко време предизвиква свръхпроводимо състояние при стайна температура.

Helios се превърна в преходен модел между предишните и бъдещите архитектури на Quantinuum. Следващите поколения, според пътната карта на компанията, ще бъдат изградени върху квадратна решетка, където всяка клетка може да служи като отделна зона за съхранение или изчисления. Опитът, натрупан от X-възела и стабилния йонен транспорт, ще бъде в основата на мащабируеми системи, предназначени за стотици и хиляди кюбити.

Според представители на Quantinuum Helios вече е готов за практическа употреба, но характеристиките му ще бъдат постепенно подобрявани. Компанията планира да увеличи стабилността на връзките, да намали грешките и да подобри точността на операциите. Разработчиците са уверени, че такива машини ще могат не само да моделират сложни физически процеси, но и да решават задачи, които вече са извън възможностите на класическите суперкомпютри.