IBM verbindet zwei 120-Qubit-Chips mit vier supraleitenden Quantenkabeln
IBM-Forscher berichten in einem arXiv-Preprint über eine Vierkanal-Verbindung zwischen zwei 120-Qubit-Prozessoren mit einer durchschnittlichen Zustandsübertragungs-Fidelität von 99%.
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IBM-Forscher erklären, sie hätten eine Quantenverbindung mit vier Kanälen zwischen zwei supraleitenden 120-Qubit-Prozessoren demonstriert – ein Schritt hin zu modularen Systemen, die aus mehreren Chips statt aus einem einzelnen größeren Die aufgebaut sind. In einer am 27. Oktober auf arXiv veröffentlichten Studie berichtete das Team über eine durchschnittliche Quantenzustandsübertragungs-Fidelität von 99% über supraleitende Verbindungen im Metermaßstab sowie chipübergreifende Gatter mit einer durchschnittlichen Fidelität von 94,75%. Die Arbeit ist ein Preprint.
Was angekündigt wurde
In dem Preprint verband IBM zwei Nighthawk R1-Prozessoren mit jeweils 120 Qubits mithilfe von vier etwa 80 Zentimeter langen koaxialen Aluminiumkabeln innerhalb eines kryogenen Systems. Die Forscher nutzten die Verbindungen, um Quantenzustände zu übertragen, Operationen zwischen Qubits auf getrennten Chips auszuführen und Verschränkung zu erzeugen, die sich über beide Prozessoren erstreckt.
Das Unternehmen bezeichnet das Ergebnis nach eigener Kenntnis als die erste Demonstration einer mehrkanaligen Quantenverbindung zwischen großen supraleitenden Quantenprozessoren. Das Setup umfasste nicht alle 240 Qubits. Stattdessen verdrahtete und maß das Team ausgewählte Qubits in der Nähe der Verbindungen, um die Entwicklung zu beschleunigen.
Die technischen Details
Jede Verbindung nutzte dedizierte Qubits an den Enden des Kabels, wobei abstimmbare Kopplungselemente die Wechselwirkungen zwischen diesen Qubits und der Mikrowellenverbindung steuerten. Mithilfe von Netzwerk-Benchmarking maßen die Forscher die Zustandsübertragungs-Fidelität in beide Richtungen und berichteten, dass alle vier Verbindungen 98,86% übertrafen. Die beste Verbindung erreichte 99,29%, bei einer Unsicherheit von 0,07 Prozentpunkten.
Anschließend nutzte das Team die Verbindungen, um Controlled-Z-Gatter zwischen Rechenqubits auf unterschiedlichen Prozessoren zu implementieren. Diese entfernten Gatter erforderten zwei Zustandsübertragungen, drei lokale Zwei-Qubit-Gatter und zusätzliche Ein-Qubit-Steuerungen. Die durchschnittliche Fidelität dieser Fern-Gatter lag bei 94,75%, der beste Wert bei 96,42%, mit einer Unsicherheit von 0,28 Prozentpunkten.
IBM berichtete zudem über verschränkte Zustände, die über die beiden Chips verteilt waren. Die Forscher erzeugten gleichzeitig zwei verschränkte Paare über benachbarte Verbindungen, wobei eines der Paare im gleichzeitigen Betrieb eine geringere Fidelität zeigte. Außerdem erzeugten sie verschränkte Vier-Qubit- und Sechs-Qubit-Zustände, die sich über die Prozessoren erstreckten. Die gemessenen Fidelitäten lagen bei 77,23% für den Vier-Qubit-Zustand und 67,67% für den Sechs-Qubit-Zustand; nach statistischer Korrektur von Messfehlern stiegen diese Werte auf 91,70% beziehungsweise 90,87%.
Packaging und Zuverlässigkeit
Ein bemerkenswerter Teil der Arbeit war die mechanische und kryogene Integration. Die Kabel wurden senkrecht zur Chipoberfläche angebracht – eine Geometrie, die nach Angaben der Forscher besser für dichtere Verbindungs-Layouts geeignet ist als frühere parallele Anordnungen. Die Befestigung erfolgte über Indium-zu-Indium-Druckverbindungen, die bei Raumtemperatur gebildet wurden, nachdem die Prozessormodule im Kryostaten montiert worden waren.
Der Studie zufolge blieben alle vier Verbindungen über drei Aufwärm- und Abkühlzyklen hinweg ohne Anpassungen an den Anschlüssen funktionsfähig.
Das Papier identifiziert Magnetfelder während des Abkühlens außerdem als eine Quelle von Kabelverlusten. IBM fügte zwei Lagen magnetischer Abschirmung um die Kabel hinzu, wobei die Forscher das Abschirmgeflecht als vorläufige Maßnahme beschreiben.
Warum das wichtig ist
Das Ergebnis adressiert eine zentrale Skalierungsfrage des supraleitenden Quantencomputings: ob sich mehrere Prozessoren verbinden lassen, ohne zu viele der Quanteninformationen zu verlieren, die für nützliche Berechnungen erforderlich sind. Der Aufbau größerer Systeme aus Modulen könnte physische Beschränkungen bei Chipgröße, Verdrahtung und Packaging entschärfen.
Gleichzeitig zeigen die Daten die verbleibende Lücke zwischen grundlegender Zustandsübertragung und vollständig verteilten Operationen. IBMs Fehlermodell schrieb etwa 77% des Zustandsübertragungsfehlers der begrenzten Kohärenz im Kabel und in den dedizierten Qubits zu, insbesondere der Dephasierung. Die Forscher sagen, sie hätten einige Fertigungs- und Verarbeitungsschritte, von denen bekannt ist, dass sie die Qubit-Leistung verbessern, bewusst ausgelassen, um das Experiment zu beschleunigen.
Worauf zu achten ist
Der nächste Test wird sein, ob IBM vier funktionierende Verbindungen in eine größere Zahl reproduzierbarer, herstellbarer Verbindungen überführen und dabei die Fidelitäten steigern kann. Das Papier verweist auch auf eine mögliche Änderung der Architektur: die direkte Integration von Verbindungselementen in das Prozessorgitter, um die Zahl der für Fern-Gatter erforderlichen Schritte zu verringern.
Vorerst demonstriert die Arbeit eher ein vielversprechendes Subsystem als einen vollständigen modularen Quantencomputer. Wie die Autoren es formulieren, besteht die bevorstehende Herausforderung in der zuverlässigen, wiederholten Nutzung solcher Verbindungen in fehlerkorrigierter Berechnung.
Quellen
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