Quantinuum Helios: Το νέο κβαντικό chip που φέρνει «μηχανική» ακρίβεια στην... κβαντική μηχανική

Η Quantinuum αποκάλυψε το Helios, τη νεότερη γενιά του κβαντικού υπολογιστή παγίδας ιόντων (trapped-ion), μια πλατφόρμα που υπόσχεται να φέρει τα κβαντικά κυκλώματα πιο κοντά στην πρακτική εφαρμογή. Με 98 qubits – σχεδόν διπλάσια από την προηγούμενη έκδοση των 56 – το Helios δεν προσφέρει απλώς περισσότερη ισχύ, αλλά εισάγει και μια ριζικά νέα αρχιτεκτονική που διαχειρίζεται τα ιόντα του με τρόπο που θυμίζει κυκλοφορία σε έξυπνη πόλη.

Οι trapped-ion υπολογιστές έχουν ένα θεμελιώδες πλεονέκτημα σε σχέση με τις άλλες πλατφόρμες: τα ίδια τα qubits δεν κατασκευάζονται, είναι φυσικά άτομα ή ιόντα. Αυτό σημαίνει μηδενική μεταβλητότητα μεταξύ συσκευών και εξαιρετικά σταθερή απόδοση. Επειδή κάθε ιόν μπορεί θεωρητικά να αλληλεπιδράσει με οποιοδήποτε άλλο, η αρχιτεκτονική αυτή προσφέρει και all-to-all συνδεσιμότητα, κάτι που κάνει την εκτέλεση αλγορίθμων και την εφαρμογή κωδίκων διόρθωσης σφαλμάτων πολύ πιο ευέλικτη.

Ωστόσο, το τίμημα μέχρι τώρα ήταν το μέγεθος. Ενώ οι υπεραγώγιμες πλατφόρμες έχουν ήδη περάσει τα 100 qubits, τα trapped-ion συστήματα έμεναν περιορισμένα σε μερικές δεκάδες. Το Helios αλλάζει αυτή την ισορροπία, προσθέτοντας δεκάδες νέα qubits χωρίς να θυσιάζει την ακρίβεια. «Όχι μόνο διατηρήσαμε την ποιότητα των δύο-qubit πυλών, αλλά την βελτιώσαμε», δήλωσε η Jenni Strabley, αντιπρόεδρος της Quantinuum.

Η νέα συσκευή στηρίζεται σε μια πρωτότυπη γεωμετρία: έναν κυκλικό βρόχο που συνδέεται με δύο γραμμικά «πόδια» μέσω μιας τετραπλής διασταύρωσης. Τα ιόντα περιστρέφονται μέσα στον δακτύλιο, όπως δεδομένα που κινούνται γύρω από έναν σκληρό δίσκο, και όταν φτάνουν στη διασταύρωση, το σύστημα αποφασίζει αν θα τα κατευθύνει σε μία από τις δύο λωρίδες ή αν θα τα επιστρέψει στον βρόχο.

«Σκεφτείτε το σαν μια έξυπνη κυκλοφορία», εξηγεί ο David Hayes, διευθυντής του τμήματος Computational Design & Theory. «Τα ιόντα κινούνται μονόδρομα μέσα στον δακτύλιο και όταν φτάσουν στη διασταύρωση, παίρνουν απόφαση – είτε συνεχίζουν, είτε εκτρέπονται σε μια “λωρίδα” όπου πραγματοποιούνται οι πράξεις τους».

Κάθε «πόδι» διαθέτει περιοχή όπου εκτελούνται πράξεις δύο-qubit, ενώ άλλες περιοχές λειτουργούν ως αποθηκευτικοί χώροι. Όταν οι πράξεις ολοκληρωθούν, τα qubits μπορούν να επιστρέψουν στον βρόχο και η διαδικασία να ξεκινήσει ξανά, χωρίς «μποτιλιαρίσματα». Αυτή η κυκλική λογική αυξάνει την ταχύτητα και μειώνει τις συγκρούσεις μεταξύ qubits, κάτι κρίσιμο για τη διατήρηση της συνοχής τους.

Για να ελέγξει αυτό το περίπλοκο «σύστημα κυκλοφορίας», η Quantinuum έχει αναπτύξει το δικό της compiler που μεταφράζει τις εντολές των χρηστών σε ακριβείς ηλεκτρομαγνητικές οδηγίες. Το σύστημα περιλαμβάνει και μια real-time μηχανή ελέγχου, η οποία αναλύει σε πραγματικό χρόνο την κατάσταση των qubits και προσαρμόζει τις εντολές. Εντυπωσιακά, αυτή η μηχανή βασίζεται σε GPUs αντί για custom hardware.

Το περιβάλλον ανάπτυξης της εταιρείας, Guppy, βασίζεται στην Python και στη νέα του έκδοση προσφέρει εργαλεία που θυμίζουν συμβατικό προγραμματισμό, όπως βρόχους και συνθήκες IF. Αυτό είναι απαραίτητο για τις διαδικασίες διόρθωσης σφαλμάτων, όπου ο υπολογιστής πρέπει να ελέγχει, να διορθώνει και να επαναλαμβάνει λειτουργίες μέχρι να πετύχει καθαρό αποτέλεσμα.

Σύμφωνα με τον Hayes, το Helios μπορεί να λειτουργήσει είτε ως μηχάνημα 94 qubits με δυνατότητα εντοπισμού σφαλμάτων σε καθένα από αυτά, είτε ως σύστημα 48 «λογικών» qubits με ενσωματωμένο κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων.

Για να δείξει τη δύναμη του Helios, η Quantinuum το έθεσε αμέσως στη δοκιμή με ένα από τα πιο απαιτητικά προβλήματα της φυσικής: τη μοντελοποίηση της υπεραγωγιμότητας μέσω του μοντέλου Fermi-Hubbard. Το συγκεκριμένο μοντέλο προσπαθεί να περιγράψει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια ξεπερνούν την αμοιβαία τους απώθηση και σχηματίζουν ζεύγη Cooper, τη βάση της υπεραγωγιμότητας.

«Φυσικά, το μοντέλο δεν περιλαμβάνει όλες τις αλληλεπιδράσεις», παραδέχεται ο Henrik Dreyer της Quantinuum. «Όμως διατηρεί τις βασικές ιδιότητες ενός υπεραγωγού και μας επιτρέπει να εξετάζουμε φαινόμενα όπως η σύζευξη ηλεκτρονίων ή η προσωρινή υπεραγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες».

Με τη νέα υπολογιστική ισχύ, η ομάδα μπόρεσε να προσομοιώσει μεγαλύτερα πλέγματα ατόμων, ακόμα και να εξετάσει τι συμβαίνει όταν ένα υλικό δεχθεί παλμό laser που προκαλεί παροδικά υπεραγώγιμη κατάσταση. Τα αποτελέσματα αποδείχθηκαν εντυπωσιακά ακριβή, ακόμα και χωρίς πλήρη διόρθωση σφαλμάτων.

Αν κοιτάξει κανείς το χρονοδιάγραμμα της Quantinuum, το Helios φαίνεται να είναι το τελευταίο chip της «κυκλικής» γενιάς. Οι επόμενες εκδόσεις θα υιοθετήσουν πλέγματα τετραγώνων, δομές που θυμίζουν ρυμοτομία πόλης. Κάθε «τετράγωνο» θα λειτουργεί ως αποθηκευτικός κόμβος ή περιοχή πράξεων, επιτρέποντας παράλληλη εκτέλεση και ακόμη ταχύτερη ταξινόμηση qubits.

Προς το παρόν, η Quantinuum εστιάζει στη βελτίωση της υπάρχουσας πλατφόρμας, καθώς θεωρεί το Helios ως το θεμέλιο για το επόμενο στάδιο. Αυτό το στάδιο ίσως φέρει το κβαντικό computing ένα βήμα πιο κοντά στο σημείο όπου θα μπορεί να λύσει προβλήματα που ξεπερνούν πραγματικά τα όρια των κλασικών υπολογιστών.

[source]