Siêu máy tính lượng tử Helios 98 qubit: Bước đột phá từ kiến trúc ion bẫy có kết nối toàn phần

Kiến trúc QCCD, bẫy ion hình nĩa và kết nối toàn phần

Helios được xây dựng dựa trên kiến trúc quantum charge-coupled device (QCCD) triển khai trên một bẫy điện cực bề mặt 2D . Các đặc điểm thiết kế chính:

• Sử dụng các qubit siêu tinh tế ¹³⁷Ba⁺ làm hạt mang thông tin .
• Kết nối toàn phần (all-to-all connectivity) được thực hiện nhờ một vòng lưu trữ ion có thể xoay kết nối hai vùng xử lý lượng tử thông qua một điểm giao .
• Các ion được vận chuyển vật lý giữa các vùng nhớ và vùng logic riêng biệt — các qubit di chuyển trong bộ xử lý giống như các bit trong CPU cổ điển, với các cấu trúc nhớ chuyên dụng, bus dữ liệu và đơn vị logic .
• Bẫy ion dạng "tuning fork" (hình nĩa) với điểm giao cho phép các ion được định tuyến đến bất kỳ vùng cổng nào, cho phép tương tác giữa bất kỳ cặp qubit nào .

Kiến trúc vận chuyển này mang lại thời gian độ sâu-1 trung bình là 55 ms cho mỗi lớp mạch trên tất cả 98 qubit .

Mã hóa qubit logic có sửa lỗi

Hệ thống Helios đã chứng minh nhiều quy mô mã hóa qubit logic:

• 94 qubit logic với phát hiện lỗi và 48 qubit logic với sửa lỗi hoàn chỉnh được trích xuất từ 98 qubit vật lý, đạt hiệu suất vượt ngưỡng break-even .
• Với 50 qubit logic phát hiện lỗi, Helios đã chạy mô phỏng lượng tử từ tính được mã hóa lớn nhất từ trước đến nay .
• Một báo cáo kỹ thuật riêng từ Mitsubishi Electric (công bố cùng ngày) đã đánh giá Biến đổi Fourier Lượng tử trên tối đa 12 qubit logic được mã hóa trong mã Steane trên Helios .

Bài báo trên Nature đã sử dụng phép đo giữa mạch (mid-circuit measurement) (đọc không phá hủy) — một khả năng thiết yếu cho việc sửa lỗi chủ động — và Sandia đã đóng góp một phương pháp kiểm chuẩn mới để đo lường hiệu suất của các phép đo này .

Kiểm chứng độc lập

• Sandia National Laboratories đã đánh giá và chứng nhận độc lập hệ thống Helios, cung cấp các công cụ kiểm chuẩn mới và đồng tác giả bài báo . Phòng thí nghiệm Hiệu suất Lượng tử của Sandia có Thỏa thuận Nghiên cứu và Phát triển Hợp tác lâu dài với Quantinuum (được gia hạn vào tháng 5 năm 2026) .
• Siêu máy tính JUPITER của châu Âu: Các bằng chứng hiện có không đề cập đến việc JUPITER xác thực Helios. Tuyên bố này không được xác nhận bởi các nguồn đã thu thập. Nó có thể đề cập đến một so sánh mô phỏng cổ điển riêng biệt hoặc một bước xác thực trong tương lai, nhưng không được ghi lại trong bài báo Nature hoặc các tin tức liên quan.

Ý nghĩa rộng hơn

• Helios là máy tính lượng tử ion bẫy đầu tiên thuộc lớp 100 qubit và chứng minh rằng các hệ thống ion bẫy có thể đạt số qubit tương đương mạch siêu dẫn (~100) trong khi duy trì tỷ lệ lỗi thấp hơn 10–100 lần .
• Hệ thống hoạt động vượt xa khả năng mô phỏng cổ điển, được xác nhận bằng các điểm chuẩn lấy mẫu mạch ngẫu nhiên .
• Các tỷ lệ lỗi ở cấp độ linh kiện có tính dự báo cho hiệu suất ở cấp độ hệ thống, nghĩa là mô hình lỗi đáng tin cậy và có thể mở rộng .
• Kết quả hỗ trợ mục tiêu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) về điện toán lượng tử chịu lỗi và đánh dấu một "biên giới mới về độ trung thực và độ phức tạp cho máy tính lượng tử" .