Суперкомпьютеры уходят в прошлое. 96-кубитный Helios на Python готов решать «нерешаемые» задачи

Компания Quantinuum представила новое поколение ионного квантового компьютера под названием Helios, которое знаменует собой важный шаг в развитии квантовых вычислений. Его архитектура сочетает уникальные инженерные решения с улучшенной управляемостью и увеличенным числом кубитов — с 56 до 96, при этом производительность и точность операций не снизились. Разработка открывает путь к более сложным квантовым моделям, включая моделирование сверхпроводимости.

Основное преимущество квантовых систем на ионах и атомах состоит в том, что сами кубиты не производятся искусственно — каждый атом идентичен и демонстрирует стабильное поведение. В ионных системах частицы удерживаются и перемещаются при помощи электромагнитных полей, что позволяет строить взаимосвязанные сети кубитов с высокой степенью управляемости. Однако по мере роста количества кубитов перед инженерами встаёт сложная задача — как эффективно перемещать ионы и соединять их для вычислений, не теряя когерентность системы.

В Helios инженеры Quantinuum реализовали принципиально новый подход — ионы перемещаются по кольцевой «магистрали» и могут направляться в одну из двух «ног» через X-образный перекрёсток. Такая схема позволяет гибко управлять процессом взаимодействия кубитов: нужные ионы могут перемещаться в рабочие зоны для выполнения операций, а затем возвращаться в хранилище. В компании сравнивают этот процесс с работой жёсткого диска, где данные циклически проходят через область чтения-записи. Благодаря направленному движению ионов удаётся избежать «пробок» и лишних перестановок, которые могут вызвать ошибки.

Новая система управления построена на базе графических процессоров и способна анализировать состояние кубитов в реальном времени, корректируя команды на лету. Для пользователей создан обновлённый программный интерфейс Guppy, основанный на Python. Он поддерживает условные конструкции и циклы, что делает возможным реализацию процедур коррекции ошибок и сложных алгоритмов с динамическим перераспределением кубитов. Helios может работать как с 94 физическими кубитами при обнаружении ошибок, так и в режиме 48 логических кубитов с коррекцией — это так называемый «конкатенированный» код, объединяющий два типа защитных схем.

Чтобы продемонстрировать возможности новой архитектуры, исследователи Quantinuum реализовали на Helios квантовую модель Ферми-Хаббарда — теоретическое приближение, применяемое для изучения механизма сверхпроводимости. Модель помогает понять, как электроны образуют куперовские пары и преодолевают взаимное отталкивание. Даже с существующим уровнем ошибок в схемах результаты оказались близки к идеальным, что, по словам учёных, стало неожиданным открытием. В ходе экспериментов они смогли исследовать трёхмерные решётки атомов и поведение материала при воздействии лазерного импульса, кратковременно вызывающего сверхпроводящее состояние при комнатной температуре.

Helios стал переходной моделью между предыдущими и будущими архитектурами Quantinuum. Следующие поколения, согласно дорожной карте компании, будут строиться по квадратной сетке, где каждая ячейка сможет служить отдельной зоной хранения или вычислений. Опыт, полученный при отработке X-образного узла и стабильного перемещения ионов, ляжет в основу масштабируемых систем, рассчитанных на сотни и тысячи кубитов.

По словам представителей Quantinuum, Helios уже готов к практическому использованию, но его характеристики будут постепенно улучшаться. Компания планирует увеличить стабильность соединений, сократить ошибки и повысить точность операций. Разработчики уверены, что такие машины смогут не только моделировать сложные физические процессы, но и решать задачи, которые уже сегодня выходят за пределы возможностей классических суперкомпьютеров.