Orain arteko denbora-kristal konplexuenak esploratzen, kuantikan zentratutako superordenagailuekin

Ikertzaile talde batek denbora-kristal baten erakustaldi handi eta konplexuenetako bat lortu du IBM Quantum Heron txip bat erabiliz, gaur (urtarrilak 28) Nature Communications aldizkarian argitaratutako artikulu batean deskribatzen den bezala.

Basque Quantum (BasQ), NIST eta IBMko zientzialariek parte hartu zuten lan horretan, eta gaur egungo ordenagailu kuantikoek beste diziplina zientifiko batzuetan aurrerapen garrantzitsuak bultzatzeko duten ahalmena erakusten du, baita hardware kuantikoak eta klasikoak kuantikan oinarritutako superkonputazioko arkitektura baten barruan batera lan egiten dutenean sortzen diren aukerak ere.

Zer da denbora kristala?

Kristalak deformazioari eusten dioten patroi errepikakorretan antolatutako gaiak dira. Naturan kristalak ikustera ohituta gaude: elur malutak, diamanteek eta mahaiko gatzak forma bereizgarriak hartzen dituzte, beren molekulak espazioan erregularki jartzen direlako. Denbora kristalek, ordea, denboran zehar osatzen dituzte beren eredu erresilienteak, espazioan eratu beharrean.

Gainera, kristal konbentzionalek egitura horiek hartzen dituzte energia eman edo askatu gabe; oreka termikoan daude. Denbora-kristalak desberdinak dira. Orekatik kanpoko dinamiken adibide ez oso arruntak dira. Denbora-kristala materiaren fase bat da, orekatik kanpo bakarrik dagoena.

Sistema kuantiko batzuetan energia aldizka ponpatzean, erritmo egonkorrak erakusten dituzte, hala nola norabidea aldatzen duten partikulen biraketak. Sistema ziklo batean blokeatzen da, normalean ponpaketaren beste taupada bakoitzarekin lerrokatzen den patroi batean txandakatuz. Horrek informazio kuantikoa desordenatzen delako ideia salbuespen bihurtzen ditu. Sisteman energia gehiago sartzen den heinean ere, jatorrizko egoera kuantikoaren aztarna bat mantentzen da.

IBMren hardwareak nola lagundu zuen denbora kristalak eskala eta konplexutasun berri batera eramaten 

Denbora-kristalak delikatuak eta konfiguratzeko zailak dira, eta gutxi batzuetan baino ez dira sortu laborategi-inguruneetan. Partikulen konponketa zehatzak behar dituzte berotik eta zaratatik ondo babestuta dauden sistema kuantiko oso koherenteetan.

Duela oso gutxi arte, muga horiek esan nahi zuten soilik posible zela laborategiko inguruneetan denbora-kristal unidimentsionalak aztertzea: ikertzaileek atomo-kateak konfiguratzen zituzten, bakoitza hurrengoari lotuta lerro batean. Ikertzaileek eskala handiagoko denbora kristalei buruz teorizatu zuten, baina zaila da konputazionalki modelatzea. Denbora-kristal bati dimentsio gehiago gehituz gero, elkarrekintza gainjarriak azkar hazten dira konplexutasunean, eta metodo klasikoen bidez aurreikustea ezinezkoa bihurtzen da.

IBMren ordenagailu kuantikoek, berotik eta kanpoko zaratatik isolatutako prozesadoreekin, ingurune ezin hobea eskaintzen dute fenomeno kuantikoak aztertzeko, hala nola denbora kristalak. Ikerketa berrienaren atzean taldeak iragarri zuen 144 qubiteko denbora bidimentsionaleko kristal bat eraiki zuela Heron txipan. Qubitak objektu kuantikoak direnez, ikertzaileak denbora-kristal bat simulatzeaz gain, oinarrizko unitate gisa qubitak erabiliz sortzen ari dira.

Bi dimentsiotan, seinaleak askoz modu konplexuagoan mugitzen dira gorputz askoren sistemaren bidez. Laborategiko esperimentuetan edo simulazio klasikoetan inoiz aztertu ez diren dinamikak agertzen dira. "Dimentsionaltasunak garrantzia du. Ez da gauza bera gauzak dimentsio batean edo bitan lerrokatzea. Eta tamainak garrantzia du ", eta horrek esan nahi du denbora kristal handiago batek ez duela modu txikiagoan jokatuko, esan zuen Nicolas Lorente Donostiako Materialen Fisika Zentroko ikertzaileak eta BasQ artikuluaren egileak.

Orain arte ez zegoen argi konplexutasun honetako denbora kristal bat posible ote zen eredu oso artifizialetatik kanpo, esan zuen Niall Robertson IBMko zientzialari ikertzaileak, hau ere artikuluaren egilea. Baina lan honek 2Dko denbora kristalak oso eskala txikietatik haratago sendoak direla erakusten laguntzen du, eta horrek etorkizuneko ikerketetarako inplikazioak izan ditzake. Eta, ikasi zuten kristalezko tamainarik handienean, taldeak Heronen parametroak probatu zituen, ordenagailu klasiko batean simulatu ezin izan zituztenak.

"Sistema kuantikoa behar genuen egin genuena bezain handia zen zerbait ikertu ahal izateko", esan zuen Eric Switzerrek, Estandarren eta Teknologiaren Institutu Nazionaleko (NIST) materia kondentsatuaren fisikari teorikoak eta artikuluaren egileak.

Lan honek bide zabaltzen du denbora kristalak sakonago esploratzeko. Ikertzaileek interesa dute, adibidez, denbora kristaletan desordena rola ikertzeko. Orain, ikertzaileek zenbat anabasa jasan dezaketen frogatzen ari dira; anabasa kopuru jakin bat beharrezkoa da denbora-kristal bat egonkortzeko, baina nahaspilatsuegia da leherrarazteko mehatxua.

Denbora kristalak hobeto ulertzeak "Heisenberg motako" interakzio sorta zabal bati buruzko ezagutza hobetu lezake partikulen biraketek elkarri eragiten dioten materialen zientzian. Banakako molekulen imanak, metalezko kateak eta puntu kuantikoetan oinarritutako arkitekturak aztertzeko inplikazioak daude (aplikazio teknologiko asko dituen nanoeskalako erdieroaleen klase bat).

Konputazio kuantikoa eta klasikoa, elkarrekin lan eginez

Emaitza kuantiko interesgarria dagoen guztietan, hori egiaztatzea da zeregin garrantzitsuenetako bat. Taldeak abangoardiako ikuspegi bat erabili zuen tentsore sare batean egoera kuantikoa simulatzeko, sinesmenen hedapena erabiliz, eta, ondoren, emaitza horiek ordenagailu kuantikotik lortutakoekin alderatu zituen.

Kalkulu kuantiko guztiak irudikatzeko, tenkagailu oso handiak, datu ordenatuak dituzten objektu matematikoak, hala nola kalkulu-orriak, kalkulu-orrien pilak edo kalkulu-orrien pilaz betetako artxibategiak erabil daitezke. Hala ere, sistema kuantikoak simulatzeko behar diren tenkagailuak handiegiak dira konputazio klasikoaren ohiko baliabideekin simulatu ahal izateko.

Tenkagailu sareen metodoek konputazio klasikoa erabiltzen dute tenkagailu handi horiek tenkagailu txikiago gehiagotan sinplifikatzeko, nahiz eta prozesuan doitasun pixka bat sakrifikatu. Pieza bakoitzak sistemaren zati bat hartzen du, eta piezen arteko konexioek zati horiek elkarren artean nola erlazionatzen diren islatzen dute. Tenkagailu sareak ordenagailu klasikoetan egoera kuantikoak hurbiltzeko erabil daitezke. Bestalde, sinesmenen hedapena metodo sofistikatua da informazioa gutxi gorabehera eguneratzeko edo ateratzeko, tentsio-sare horien bidez irudikatutako egoera kuantiko batetik abiatuta.

Abantaila kuantikoa lortzeko egungo karreraren zati handi bat konputagailu kuantikoen eta tenkagailu sareen metodo onenen arteko lehia gisa uler daiteke. Hala ere, kuantikan zentratutako superkonputazioaren paradigman, tenkagailuetan oinarritutako teknikak ere erabil ditzakegu kalkulu kuantikoak hobetzeko. Konputazio kuantikoaren aro berri honetan, zirkuitu kuantikoak eta tenkagailuak aldi berean integratzen dituzten algoritmoak garatu nahi dira, tresna horietako bakoitza horiei heltzeko hardware egokienean banatuz.

Artikulu honetan, ikertzaileek exekuzio kuantikoa fintzeko teknika klasikoak nola erabili aztertzen hasten dira. Erroreak arintzeko metodo berriak ezarri zituzten, doitasuna handitzeko eta emaitza kuantikoen errore marjinak murrizteko.

Epe laburrean konputazio kuantikoko lan zirraragarrienen norantza bideratzea espero dugun erakusten duen adibide bat da hau: errendimendu handiko konputazioko baliabide kuantikoak eta klasikoak, arlo kuantikoan zentratutako superkonputazioko arkitekturetan batera lan eginez (QCSC, ingelesezko sigletan). HPC exekuzio askok CPUen, QPUen eta GPUen artean banatutako eragiketak inplikatuko dituzte, hardware pieza bakoitzarekin, eta zer kalkulutarako dagoen hobeto prestatuta soilik arduratuko dira.

Hurrengo urrats handia, ikertzaileek adierazi zutenez, IBM Quantum Nighthark txipen ingurune interkonektatuenean denbora kristal konplexuago bat eraikitzen saiatzea izango da, non qubitak lau bizilagunekin konektatzen diren, Heronen bezala bi edo hiru eraiki beharrean. Konektibitate handiagoak konplexutasun handiagoa eta dinamika berriak atzemateko aukera dakar.

Taldeak, halaber, GPUek lanaren alde klasikoari zer ekarpen egin diezaioketen aztertu nahi du, Robertsonek adierazi zuenez. QCSCk aurrera egin ahala, bere ikerketak aurrera jarraitzen du.