Новый квантовый процессор Helios преодолел порог точности в 99,9%: близок ли масштабный прорыв?

В современной гонке квантовых технологий наметились два основных направления. Первое — это использование сверхпроводящих цепей, где кубиты формируются на твердотельной кремниевой подложке (этот путь выбрали IBM и Google). Второе — использование одиночных атомов или ионов, удерживаемых в вакууме электромагнитными полями. Физики называют эту технологию платформой захваченных ионов. Именно на ней базируется новый 98-кубитный квантовый процессор Helios, разработанный компанией Quantinuum.

Главная проблема большинства квантовых процессоров заключается в их топологии — схеме взаимного расположения и связи вычислительных элементов. В сверхпроводящих чипах кубиты жестко зафиксированы на подложке. Если алгоритм требует связать квантовым состоянием два удаленных друг от друга кубита, информацию приходится передавать по цепочке через промежуточные элементы. Каждый такой шаг требует выполнения вспомогательных операций перезаписи. Поскольку любая операция в квантовом мире совершается с определенной погрешностью, длинная цепочка передач быстро разрушает хрупкое квантовое состояние (происходит декогеренция), и вычисление завершается ошибкой.

Разработчики Helios решили эту проблему физическим перемещением самих носителей информации. В их процессоре кубиты не закреплены на месте: система транспортирует ионы в пространстве чипа, сближая их только в моменты непосредственного выполнения вычислительных операций. Это позволяет реализовать связь «все со всеми» (all-to-all connectivity) — любой кубит может напрямую провзаимодействовать с любым другим, независимо от того, где они находились в начале вычислений.

Физика переноса: как работает QCCD-архитектура

Технология, примененная в Helios, называется квантовым прибором с зарядовой связью (Quantum Charge-Coupled Device, QCCD). В качестве кубитов физики используют положительно заряженные ионы бария-137. Поскольку ионы обладают электрическим зарядом, их положением можно управлять с помощью внешнего электрического поля.

На поверхности кремниевого чипа Helios размещена сложная структура из 1228 металлических управляющих электродов. Подавая на эти электроды определенное напряжение, инженеры создают локальные зоны с минимальным значением электрического потенциала — так называемые потенциальные ловушки. Ион оказывается запертым в этой точке пространства.

Чтобы переместить ион, управляющий компьютер последовательно меняет напряжение на соседних электродах. Потенциальная яма смещается вдоль каналов чипа, увлекая за собой запертый в ней атом. Этот процесс физики называют транспортом. Быстрота и точность этого перемещения определяют общую производительность квантового процессора. Физический транспорт кубитов позволяет пространственно разделить зоны хранения информации и зоны проведения логических операций. Это существенно снижает уровень перекрестных помех: лазерное излучение, с помощью которого выполняются логические операции над одной парой ионов, не задевает другие кубиты, находящиеся в зонах хранения.

Переход на барий: упрощение лазерной инфраструктуры

Предыдущие поколения процессоров Quantinuum работали на ионах иттербия-171. Иттербий — надежный и хорошо изученный кубит, однако для управления его энергетическими состояниями требуются лазерные системы ультрафиолетового диапазона.

Использование ультрафиолета создает серьезные инженерные трудности:

1. Кванты ультрафиолетового излучения обладают высокой энергией, что ведет к постепенной деградации оптических волокон, линз и самого кремниевого чипа.
2. Ультрафиолетовые лазеры сложны в настройке, обладают высоким уровнем фазового шума (нестабильностью световой волны) и плохо поддаются масштабированию.

В процессоре Helios физики впервые перешли на использование изотопа бария-137. Для управления этим ионом требуются лазеры видимого спектра — зеленого (длина волны 515 нм) и красного. Оптические технологии для видимого диапазона гораздо более зрелые и стабильные. Зеленые лазеры обладают высокой мощностью и крайне низким уровнем фазовых флуктуаций.

Этот переход позволил инженерам значительно снизить погрешность логических операций. Физическое уменьшение шума управляющего лазера привело к тому, что точность двухкубитных логических операций в среднем по системе достигла 99,92%.

Анатомия процессора Helios: устройство вычислительных зон

Пространственная структура чипа Helios оптимизирована под параллельное выполнение различных операций. Чип разделен на функциональные зоны:

• Кольцевая зона хранения: замкнутый канал диаметром 2,8 миллиметра. Здесь удерживаются ионы, которые в данный момент не участвуют в вычислениях. Они могут перемещаться по кольцу в обоих направлениях.
• Четырехсторонний перекресток: физическое пересечение каналов, которое позволяет перенаправлять ионы из кольцевого хранилища в рабочие области чипа. Проектирование геометрии этого перекрестка потребовало высокой точности: ионы не должны терять устойчивость или приобретать избыточную кинетическую энергию при поворотах на 90 градусов.
• Зоны квантовой логики: линейный участок, разделенный на восемь независимых рабочих зон. В каждой зоне сфокусированные лазерные лучи могут индивидуально адресовать отдельные ионы или пары ионов.

При любом перемещении ионы неизбежно нагреваются — их колебательное движение в потенциальных ловушках усиливается. Это тепловое возбуждение снижает точность квантовых логических операций. Чтобы решить эту проблему, в Helios применяется метод симпатического охлаждения.

В ловушки совместно с рабочими ионами бария внедряют ионы другого химического элемента — иттербия, которые выполняют функцию хладагента. Выделенный вспомогательный лазер воздействует только на ионы иттербия, охлаждая их. За счет электростатического (кулоновского) взаимодействия ионы иттербия забирают тепловую энергию у соседних ионов бария, возвращая их в основное колебательное состояние. При этом квантовая информация, записанная на барии, никак не повреждается, так как охлаждающий лазер не взаимодействует с его энергетическими уровнями.

Управление вычислениями и динамическая компиляция

Физический транспорт ионов создает серьезный вызов для программного обеспечения. Квантовый алгоритм пишется в абстрактных терминах: он содержит инструкции для «виртуальных кубитов». Задача трансляции этих инструкций в физические перемещения реальных атомов бария возложена на компилятор и управляющую систему реального времени — Helios Runtime.

Этот программный комплекс решает несколько сложных задач в процессе выполнения вычислений:

1. Динамическое распределение ресурсов: когда программа требует инициализировать новый кубит, алгоритм ищет свободный ион в кольцевом хранилище, наиболее близко расположенный к перекрестку, и строит маршрут его доставки.
2. Параллельная маршрутизация: система должна одновременно перемещать десятки ионов по сложной сети каналов так, чтобы они не сталкивались и не мешали друг другу.
3. Формирование пакетов: операции, которые можно выполнить одновременно без взаимных помех, объединяются в группы.

Особая ценность Helios Runtime заключается в поддержке динамических квантовых цепей. В обычных квантовых процессорах вы не можете измерить часть кубитов посреди вычисления, получить результат, обработать его на классическом процессоре и на основе этого решить, какую операцию выполнять дальше над оставшимися кубитами.

Процесс измерения кубита происходит локально в одной из восьми зон логики. Система считывает состояние иона, передает данные на классический контроллер, который принимает логическое решение (например, реализует ветвление «если-тогда-иначе» или цикл) и выдает новые команды на перемещение ионов. Задержка этого цикла управления составляет менее одной миллисекунды, что позволяет менять ход алгоритма прямо во время когерентного существования квантовой системы.

Проверка производительности и классические пределы

Для оценки реальной вычислительной мощности Helios авторы исследования использовали два системных метода тестирования: случайные схемы Клиффорда с промежуточными измерениями и зеркальный бенчмаркинг случайных квантовых схем (Random Circuit Sampling, RCS).

Метод RCS моделирует поведение квантовой системы при выполнении случайного набора логических операций. Финальное состояние системы представляет собой сложную интерференционную картину вероятностей. Задача классического компьютера в этом тесте — рассчитать распределение этих вероятностей и получить выборку результатов, аналогичную той, которую выдает физический квантовый процессор.

Поскольку у Helios 98 кубитов с возможностью прямой связи каждого с каждым, размерность пространства состояний составляет 2⁹⁸ (приблизительно 3*10²⁹ возможных состояний). Классическое моделирование такой системы требует колоссальных объемов оперативной памяти и вычислительной мощности.

Инженеры рассчитали стоимость симуляции работы Helios на классических суперкомпьютерах с использованием современных методов сжатия тензорных сетей. Моделирование 26 слоев случайных двухкубитных операций требует непрерывной работы суперкомпьютера exascale-класса (производительностью более 10¹⁸ операций в секунду) в течение десятилетий. При этом энергопотребление такой классической симуляции составило бы мегаватты, в то время как физический квантовый процессор на ионах выполняет эту задачу за секунды, потребляя лишь ту энергию, которая необходима для работы лазеров и вакуумных насосов.

Архитектура будущего: путь к коррекции ошибок

Создание 98-кубитного процессора Helios подтверждает масштабируемость QCCD-платформы. Переход от первых экспериментальных систем с шестью кубитами до почти сотни вычислительных элементов удалось осуществить без снижения точности отдельных операций. Более того, многие показатели точности, такие как точность двухкубитных логических операций, превзошли результаты предыдущих малокубитных моделей.

Главное значение этой работы выходит за рамки простого увеличения числа кубитов. Квантовое сообщество сходится во мнении, что практическая польза от квантовых компьютеров появится только тогда, когда системы станут отказоустойчивыми. Для этого физические кубиты необходимо объединять в логические кубиты с помощью кодов коррекции ошибок.

Один из наиболее перспективных классов таких кодов — квантовые коды с малой плотностью проверок на четность (qLDPC). Они позволяют существенно снизить требования к количеству вспомогательных физических кубитов (в десятки раз по сравнению со стандартным плоскостным поверхностным кодом). Однако для реализации qLDPC-кодов требуется, чтобы физические кубиты могли связываться друг с другом на больших расстояниях, формируя сложную трехмерную сеть взаимодействий.

Стационарные процессоры на сверхпроводниках или полупроводниковых точках не могут обеспечить такую связность из-за ограничений плоской геометрии чипа: физически невозможно подвести управляющие линии ко всем кубитам так, чтобы они могли взаимодействовать без ограничений по соседству. Архитектура QCCD с подвижными ионами бария и четырехосными перекрестками снимает это ограничение.

Helios наглядно демонстрирует, что физическое перемещение атомов в вакууме — это технологический путь, позволяющий обойти фундаментальные топологические ограничения твердотельных микросхем и открыть дорогу к созданию полноценных квантовых компьютеров.

Источник: Nature