A Quantinuum Helios az eddig bemutatott legnagyobb ioncsapdás kvantumszámítógép
Első pillantás: A Quantinuum új Helios processzora a csapdába esett kvantumszámítástechnika egyik fő mérnöki lépése, amelyet egy olyan probléma megoldására fejlesztettek ki, amely a rendszerek növekedésével egyre nehezebbé válik: qubitek mozgatása a gépen anélkül, hogy aláásná a teljesítményüket. A 98 qubit-es processzor négyirányú csomópontot használ az ionok továbbítására a memória és a feldolgozási területek között. Egy olyan vezérlőrendszerre is támaszkodik, amely megtervezi ezeket a mozgásokat, miközben koordinálja a kvantumműveleteket. A hardver és a szoftver együttesen nagyobb teret biztosít a Helios számára a műveletek párhuzamos futtatásához, mint a korábbi ioncsapdás kialakítások.
A Helios az eddig bemutatott legnagyobb ioncsapdás kvantumszámítógép. A Quantinuum, amelynek székhelye az Egyesült Királyságbeli Cambridge-ben és a Colorado állambeli Broomfieldben található, korábban 2023-ban 32 qubites, 2025-ben pedig 56 qubites gépeket mutatott be.
A processzor töltött atomokat, úgynevezett ionokat használ kubitként. Az elektromágneses mezők tartják az ionokat a chip felett, a lézerimpulzusok pedig a kvantumkapukat hajtják végre. A Helios egy kvantumtöltés-csatolt eszköz vagy QCCD elrendezést követ. Ahelyett, hogy minden qubitet egy rögzített helyen tartana, az ionokat a gép egyik részében tárolja, és külön területekre mozgatja feldolgozás céljából.
Elrendezése tartalmaz egy gyűrű alakú memóriaterületet, amely két feldolgozási útvonalhoz kapcsolódik. A négyirányú X elágazás ott található, ahol ezek a régiók találkoznak. A korábbi QCCD-konstrukciók az ionokat egy vonalon vagy hurkon keresztül mozgathatták. Az új csomópont több lehetséges útvonalat biztosít a rendszernek, és egyszerre több feladatot is kezelhet.
Ez a fizikai tervezés csak egy része az előrelépésnek. A Helios a Helios runtime nevű szoftvert is használja a munka megszervezéséhez. A szoftver meghatározza, hogy az ionoknak mikor kell mozogniuk, hova kell menniük, és mikor kell végrehajtani a lézeres műveleteket. El kell kerülnie az útválasztási konfliktusokat, miközben a kvantumáramkört hatékonyan kell mozgatni.
A kialakítás különbözik a szupravezető kvantumszámítógépektől, ahol a qubitek általában a helyükön vannak rögzítve, és elektromos jelekkel vezérlik. Egy csapdás ionos QCCD rendszerben a qubitek mozgatása a számítás részét képezi. A rendszernek az ionokat a megfelelő feldolgozási tartományba kell szállítania bizonyos kapuk végrehajtása előtt.
A megközelítés célja az áthallás csökkentése, amelyben az egyik qubiten végzett művelet zavarja a másikat. Lehetővé teszi a qubitek mérését és alaphelyzetbe állítását is a számítás során, ami segíthet észlelni és kijavítani a hibákat, mielőtt elterjednének. Mivel az ionokat át lehet mozgatni az eszközön, a rendszer a távoli qubiteket is össze tudja hozni a műveletekhez.
Helios olyan számításokat mutatott be, amelyeket az ismert klasszikus módszerek nem tudtak reprodukálni gyakorlati idő- és teljesítményhatárokon belül. A munka véletlenszerű benchmark teszteket tartalmazott, nem tudományos vagy kereskedelmi alkalmazásokat. Ez a megkülönböztetés számít. A processzor még nem mutatja, hogy a kvantumszámítás jobban meg tud oldani egy hasznos üzleti vagy kutatási problémát, mint egy klasszikus számítógép.
A rendszer messze van a hibatűrő kvantumszámítástól is. A gyakorlati rendszerek általában nagyjából egymillió qubitet igényelnek. Az Egyesült Királyság Nemzeti Kvantumstratégiája egy trillió művelet elvégzésére képes hibatűrő számítógépet tűzött ki célul. A Helios legrégebben bejelentett számítása körülbelül 4000 műveletet tartalmazott 98 qubiten.
A technológia méretezéséhez sok QCCD-eszköz kvantumkapcsolaton keresztül történő összekapcsolására lenne szükség. A javasolt tervek kétdimenziós rácsokat képzelnek el több qubittel és csomópontokkal, de ez új problémákat hozna. Az ionok a forgalom szűk keresztmetszeteivel szembesülhetnek, miközben áthaladnak a rendszeren, míg a feszültségszabályozásnak rendkívül pontosnak kell maradnia egy sokkal nagyobb gépen.
A Helios nem egy gyakorlati hibatűrő kvantumszámítógép. Ez azonban jelentős áttörés a csapdába esett processzorok méretezéséhez szükséges hardver és vezérlőrendszerek terén.