VTT ogłosiło niedawno ukończenie budowy drugiego komputera kwantowego w Finlandii, który wykorzystuje nadprzewodnictwo 20 kubity. Prace realizowane we współpracy z IQM Quantum Computers stanowią kolejny krok na planie budowy maszyny o pojemności 50 kubitów do końca 2024 roku.
Rząd wyznaczył ten ostateczny cel w listopadzie 2020 r., uruchamiając projekt o nazwie „Fińskie działanie na rzecz rozwoju komputerów kwantowych” o łącznym budżecie wynoszącym ponad 20,7 mln euro. Pierwszy komputer kwantowy, który wykorzystuje pięć kubitów, ukończono w 2021 r., a drugi, liczący 20 kubitów, ukończono w październiku 2023 r., co oznacza, że kraj ma mieć maszynę 50 kubitową do końca 2024 r. zgodnie z harmonogramem. biorąc pod uwagę postęp, fiński rząd zwiększył swoje ambicje.
Teraz chce zwiększyć skalę do maszyny o pojemności 300 kubitów i w tym celu zwiększył całkowity budżet do 70 mln euro. Naukowcy spodziewają się osiągnąć supremację kwantową za pomocą maszyny o pojemności 300 kubitów.
Nowy 20-kubitowy komputer kwantowy znajduje się w tym samym miejscu, co pięciokubitowy system – w Espoo, na południu Finlandii, w części VTTMikronowa, krajowej infrastruktury badawczej w zakresie mikro i nanotechnologii. Maszyna 20-kubitowa to demonstrator technologii, dzięki któremu można dowiedzieć się więcej o metodach potrzebnych do skalowania do 50 kubitów.
Demonstrowanie postępów i uczenia się w miarę upływu czasu
Dwa komputery kwantowe opracowane dotychczas w Finlandii opierają się na kubitach nadprzewodzących. Taki wybór technologii wynika przede wszystkim z długiej tradycji badań nad nadprzewodnictwem w kraju – VTT pracuje nad czujnikami nadprzewodnikowymi od lat 90. XX wieku.
„Istnieje wiele alternatyw” – mówi Pekka Pursula, kierownik ds. badań, mikroelektronika i technologie kwantowe w VTT. „Dotyczy to jonów, atomów i fotonicznych komputerów kwantowych. Każdy z nich ma swoje względne zalety. Myślę jednak, że obecnie platforma nadprzewodząca jest najbardziej dojrzała pod względem skalowania – w tym liczby i jakości kubitów, kontroli itd. To powiedziawszy, nie jest jasne, która technologia zapewni najskuteczniejszą przewagę kwantową w dłuższej perspektywie”.
Jak dotąd VTT i IQM uczyły się nowych rzeczy na każdym kroku. Zdobyta wiedza umożliwiła im wprowadzanie ulepszeń i zwiększanie ambicji. Jedną z najważniejszych rzeczy, których nauczyliśmy się dzięki maszynie pięciokubitowej, było to, jak to zrobić podłącz go do superkomputera LUMI oraz w jaki sposób mogliby wykorzystać konfigurację hybrydową do przekazania niektórych zadań z superkomputera urządzeniu kwantowemu.
Nauczyli się także, jak przejść z architektury 2D na architekturę 3D, co jest bardziej skomplikowanym rozwiązaniem – zwłaszcza, że kubity muszą być przechowywane w bardzo niskich temperaturach. Utrzymywanie zimnych kubitów oznacza umieszczanie elementów chłodzących we właściwych miejscach, co jest znacznie trudniejsze, gdy komponenty są ułożone jeden na drugim, a nie obok siebie.
„W pięciokubitowym QPU [quantum processing unit]wszystkie linie sterujące i odczytowe do wszystkich kubitów można poprowadzić w 2D, dzięki czemu wszystkie kubity mają dostęp do krawędzi QPU” – wyjaśnił Pekka. „W przypadku 20 kubitów tak nie jest. Aby doprowadzić linie kontrolne i odczytowe do wszystkich kubitów, potrzebny jest proces integracji nadprzewodnictwa 3D. Opracowaliśmy to i teraz pokazaliśmy, że to działa.
VTT i IQM porównują swoje 20-kubitowe urządzenie z tradycyjnymi symulacjami na superkomputerach, porównując wydajność w rozwiązywaniu dobrze znanych problemów. Porównują się także z innymi komputerami kwantowymi na całym świecie. Jednym z największych problemów związanych z urządzeniami kwantowymi jest nieodłączny hałas. Nawet przy wyrafinowanych algorytmach korygujących błędy żadne dwa komputery kwantowe nie zachowują się w ten sam sposób, ponieważ każdy kubit ma unikalne zachowanie i unikalny poziom błędów. Pursula powiedział, że 20-kubitowa maszyna radzi sobie pod tym względem bardzo dobrze. „Zmierzona mediana wierności wynosi 99,91% dla bramek z pojedynczym kubitem i 98,25% dla bramek z dwoma kubitami” – powiedział.
„Wszyscy wiemy, że IBM ma już 433 kubity, a jest kilka innych, które mają większą liczbę kubitów” – powiedział Pursula. „Ale w informatyce kwantowej nie chodzi tylko o liczbę kubitów. Chodzi także o jakość i szybkość. Pod tym względem wypadamy całkiem nieźle na tle konkurencji. Po drugie, w Europie nie ma jeszcze zbyt wielu urządzeń 20-kubitowych. Oczekujemy, że w przyszłym roku nasze 50-kubitowe urządzenie będzie jednym z największych na kontynencie”.
Dążenie do trzeciego miejsca na świecie
„Google wykazał supremację kwantową za pomocą 53 kubitów, ale toczy się na ten temat wiele dyskusji, więc nie obiecuję supremacji w przypadku naszej maszyny 50-kubitowej” – powiedział Pursula.
Ale kiedy Finlandia będzie miała komputer kwantowy o pojemności 300 kubitów, prawdopodobnie będzie w stanie rozwiązać przydatne problemy. Naukowcy spodziewają się, że wykorzystają go do rozwiązywania problemów w materiałoznawstwie, przeprowadzając symulacje molekularne znacznie szybciej niż można to zrobić na tradycyjnym komputerze. Mają także nadzieję wykorzystać go również do rozwiązywania problemów optymalizacyjnych, wykorzystując podejście hybrydowe, aby superkomputer przekazywał zadania komputerowi kwantowemu. „Bez względu na to, czy użyteczność kwantową można osiągnąć za pomocą setek, tysięcy, czy dowolnej innej liczby kubitów, potrzebne będzie podejście hybrydowe” – powiedział Pursula.
Jakiej niszy może zająć Finlandia w większym ekosystemie, gdy komputer kwantowy stanie się rzeczywistością? Tylko czas powie. Jednak według Pursuli celem Finlandii jest znaleźć się w pierwszej trójce krajów na świecie w tej dziedzinie.
„Na boisku jest jeszcze wcześnie” – mówi. „I nie zapominajmy, że małe kraje mogą produkować bardzo dużych graczy, takich jak Nokia. Dostępne ograniczone zasoby należy po prostu skoncentrować na najlepszych możliwościach. Widzę w tym doskonałą szansę, która pasuje do długoletniego doświadczenia fińskiej nauki w dziedzinie nadprzewodników, z innowacyjnym sposobem myślenia i postawą „można zrobić” jej mieszkańców”.
