IBM מקשרת שני שבבי 120 קיוביט באמצעות ארבעה כבלים קוונטיים מוליכי-על
חוקרי IBM מדווחים על קישור בארבעה ערוצים בין שני מעבדי 120 קיוביט, עם נאמנות ממוצעת של 99% להעברת מצבים, במאמר מקדים ב-arXiv.
עמוד זה תורגם מאנגלית. שמות החברות והמוצרים וקישורי המקור נותרו ללא שינוי. לקריאת המקור באנגלית
חוקרי IBM אומרים כי הדגימו קישוריות קוונטית בארבעה ערוצים בין שני מעבדים מוליכי-על בני 120 קיוביט, צעד לעבר מערכות מודולריות הבנויות ממספר שבבים ולא משבב יחיד וגדול יותר. במחקר שפורסם ב-arXiv ב-27 באוקטובר דיווח הצוות על נאמנות ממוצעת של 99% בהעברת מצבים קוונטיים על פני קישורים מוליכי-על בקנה מידה של מטרים, לצד שערים בין-שבביים עם נאמנות ממוצעת של 94.75%. העבודה היא מאמר מקדים.
מה הוכרז
במאמר המקדים חיברה IBM שני מעבדי Nighthawk R1, שכל אחד מהם כולל 120 קיוביט, באמצעות ארבעה כבלים קואקסיאליים מאלומיניום באורך של כ-80 סנטימטר בתוך מערכת קריוגנית. החוקרים השתמשו בקישורים כדי להעביר מצבים קוונטיים, לבצע פעולות בין קיוביטים על שבבים נפרדים, וליצור שזירה המשתרעת על פני שני המעבדים.
החברה מתארת את התוצאה כהדגמה הראשונה, למיטב ידיעתה, של קישוריות קוונטית רב-ערוצית בין מעבדים קוונטיים מוליכי-על גדולים. המערך לא כלל את כל 240 הקיוביטים. במקום זאת, הצוות חיווט ומדד קיוביטים נבחרים סמוך לקישורים כדי להאיץ את הפיתוח.
הפרטים הטכניים
כל קישור השתמש בקיוביטים ייעודיים בקצות הכבל, עם רכיבי צימוד ניתנים לכוונון ששלטו באינטראקציות בין אותם קיוביטים לבין קישור המיקרוגל. באמצעות benchmark של הרשת, החוקרים מדדו את נאמנות העברת המצב בשני הכיוונים ודיווחו כי כל ארבעת הקישורים עלו על 98.86%. הקישור הטוב ביותר הגיע ל-99.29%, עם אי-ודאות של 0.07 נקודות אחוז.
לאחר מכן השתמש הצוות בחיבורים כדי לממש שערי controlled-Z בין קיוביטי חישוב על מעבדים שונים. שערים מרוחקים אלה דרשו שתי העברות מצב, שלושה שערים מקומיים דו-קיוביטיים ובקרות נוספות של קיוביט יחיד. הנאמנות הממוצעת של שערים מרוחקים אלה הייתה 94.75%, בעוד שהטוב ביותר הגיע ל-96.42%, עם אי-ודאות של 0.28 נקודות אחוז.
IBM דיווחה גם על מצבים שזורים שהופצו על פני שני השבבים. החוקרים יצרו שני זוגות שזורים בו-זמנית דרך קישורים סמוכים, אם כי אחד הזוגות הראה נאמנות נמוכה יותר במהלך פעולה בו-זמנית. הם יצרו גם מצבים שזורים של ארבעה קיוביטים ושל שישה קיוביטים המשתרעים על פני המעבדים. הנאמנויות שנמדדו היו 77.23% עבור המצב בן ארבעת הקיוביטים ו-67.67% עבור המצב בן ששת הקיוביטים; לאחר תיקון סטטיסטי לשגיאות מדידה, ערכים אלה עלו ל-91.70% ול-90.87%.
מארז ואמינות
חלק בולט בעבודה היה האינטגרציה המכנית והקריוגנית. הכבלים חוברו בניצב לפני השטח של השבב, גאומטריה שלדברי החוקרים מתאימה יותר למערכי קישוריות צפופים יותר מאשר סידורים מקבילים קודמים. החיבור נעשה באמצעות קשרי לחץ אינדיום-לאינדיום שנוצרו בטמפרטורת החדר לאחר שמודולי המעבד הותקנו בקריוסטט.
לפי המחקר, כל ארבעת הקישורים נותרו פעילים לאורך שלושה מחזורי חימום וקירור ללא התאמות לחיבור.
המאמר מזהה גם שדות מגנטיים במהלך הקירור כמקור להפסדי כבל. IBM הוסיפה שתי שכבות של מיגון מגנטי סביב הכבלים, אם כי החוקרים מתארים את צמת המיגון כאמצעי זמני.
למה זה חשוב
התוצאה נוגעת בשאלת סקיילינג מרכזית במחשוב קוונטי מוליך-על: האם ניתן לקשר כמה מעבדים בלי לאבד יותר מדי מהמידע הקוונטי הדרוש לחישוב שימושי. בניית מערכות גדולות יותר ממודולים עשויה להקל על מגבלות פיזיות סביב גודל השבב, חיווט ואריזה.
עם זאת, הנתונים מראים גם את הפער שנותר בין העברת מצב בסיסית לבין פעולות מבוזרות מלאות. מודל השגיאות של IBM ייחס כ-77% משגיאת העברת המצב לקוהרנטיות מוגבלת בכבל ובקיוביטים הייעודיים, במיוחד לדה-פאזינג. החוקרים אומרים כי דילגו במכוון על כמה שלבי ייצור ועיבוד שידועים כמשפרים את ביצועי הקיוביטים, כדי להאיץ את הניסוי.
למה לשים לב
המבחן הבא יהיה האם IBM יכולה להפוך ארבעה קישורים פועלים למספר גדול יותר של חיבורים ניתנים לשחזור ולייצור, תוך העלאת הנאמנויות. המאמר מצביע גם על שינוי ארכיטקטוני אפשרי: שילוב רכיבי קישוריות ישירות בסריג המעבד כדי להפחית את מספר השלבים הנדרש עבור שערים מרוחקים.
לעת עתה, העבודה מדגימה תת-מערכת מבטיחה ולא מחשב קוונטי מודולרי שלם. כפי שמנסחים זאת המחברים, האתגר שלפניהם הוא שימוש אמין וחוזר בקישורים כאלה בחישוב עם תיקון שגיאות.
מקורות
המידע בעמוד זה מבוסס על המקורות שלהלן, שאוחזרו על ידי DesignQuantum.