IBM collega due chip da 120 qubit con quattro cavi quantistici superconduttivi
I ricercatori di IBM riportano un collegamento a quattro canali tra due processori da 120 qubit, con una fedeltà media di trasferimento dello stato del 99% in un preprint su arXiv.
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I ricercatori di IBM affermano di aver dimostrato un interconnettore quantistico a quattro canali tra due processori superconduttivi da 120 qubit, un passo verso sistemi modulari costruiti a partire da più chip invece che da un unico die più grande. In uno studio pubblicato su arXiv il 27 ottobre, il team ha riportato una fedeltà media del 99% nel trasferimento di stati quantistici su collegamenti superconduttivi di scala metrica, insieme a porte tra chip con una fedeltà media del 94,75%. Il lavoro è un preprint.
Che cosa è stato annunciato
Nel preprint, IBM ha collegato due processori Nighthawk R1, ciascuno con 120 qubit, usando quattro cavi coassiali in alluminio lunghi circa 80 centimetri all’interno di un sistema criogenico. I ricercatori hanno usato i collegamenti per trasferire stati quantistici, eseguire operazioni tra qubit su chip separati e generare entanglement che si estende su entrambi i processori.
L’azienda descrive il risultato come la prima dimostrazione, per quanto ne sa, di un interconnettore quantistico multicanale tra grandi processori quantistici superconduttivi. La configurazione non coinvolgeva tutti i 240 qubit. Il team ha invece cablato e misurato qubit selezionati vicino agli interconnettori per accelerare lo sviluppo.
I dettagli tecnici
Ogni collegamento utilizzava qubit dedicati alle estremità del cavo, con elementi di accoppiamento regolabili che controllavano le interazioni tra quei qubit e il collegamento a microonde. Usando il benchmarking di rete, i ricercatori hanno misurato la fedeltà del trasferimento di stato in entrambe le direzioni e hanno riportato che tutti e quattro i collegamenti superavano il 98,86%. Il migliore ha raggiunto il 99,29%, con un’incertezza di 0,07 punti percentuali.
Il team ha poi usato le connessioni per implementare porte controlled-Z tra qubit computazionali su processori diversi. Queste porte remote richiedevano due trasferimenti di stato, tre porte locali a due qubit e controlli aggiuntivi a singolo qubit. La fedeltà media di queste porte a distanza è stata del 94,75%, mentre la migliore ha raggiunto il 96,42%, con un’incertezza di 0,28 punti percentuali.
IBM ha inoltre riportato stati entangled distribuiti tra i due chip. I ricercatori hanno generato simultaneamente due coppie entangled attraverso collegamenti adiacenti, sebbene una delle coppie abbia mostrato una fedeltà inferiore durante il funzionamento simultaneo. Hanno inoltre creato stati entangled a quattro e a sei qubit distribuiti sui processori. Le fedeltà misurate sono state del 77,23% per lo stato a quattro qubit e del 67,67% per quello a sei qubit; dopo una correzione statistica per gli errori di misura, questi valori sono saliti al 91,70% e al 90,87%.
Packaging e affidabilità
Una parte rilevante del lavoro ha riguardato l’integrazione meccanica e criogenica. I cavi erano collegati perpendicolarmente alla superficie del chip, una geometria che, secondo i ricercatori, si adatta meglio a layout di interconnessione più densi rispetto alle precedenti configurazioni parallele. Il collegamento utilizzava giunzioni a pressione indio-indio formate a temperatura ambiente dopo che i moduli del processore erano stati montati nel criostato.
Secondo lo studio, tutti e quattro i collegamenti sono rimasti operativi per tre cicli di riscaldamento e raffreddamento senza regolazioni delle connessioni.
L’articolo identifica inoltre i campi magnetici durante il raffreddamento come una fonte di perdita nei cavi. IBM ha aggiunto due strati di schermatura magnetica attorno ai cavi, sebbene i ricercatori descrivano la treccia di schermatura come una misura temporanea.
Perché è importante
Il risultato affronta una questione centrale di scalabilità per il calcolo quantistico superconduttivo: se sia possibile collegare più processori senza perdere una quantità eccessiva dell’informazione quantistica necessaria per un calcolo utile. Costruire sistemi più grandi a partire da moduli potrebbe allentare i vincoli fisici legati alle dimensioni del chip, al cablaggio e al packaging.
Allo stesso tempo, i dati mostrano il divario ancora esistente tra il semplice trasferimento di stato e le operazioni distribuite complete. Il modello di errore di IBM attribuisce circa il 77% dell’errore di trasferimento di stato alla coerenza limitata nel cavo e nei qubit dedicati, in particolare alla dephasizzazione. I ricercatori affermano di aver intenzionalmente saltato alcuni passaggi di fabbricazione e di processo noti per migliorare le prestazioni dei qubit, per accelerare l’esperimento.
Che cosa osservare
Il prossimo test sarà verificare se IBM riuscirà a trasformare quattro collegamenti funzionanti in un numero maggiore di connessioni riproducibili e producibili su scala, aumentando al contempo le fedeltà. L’articolo indica anche un possibile cambiamento architetturale: integrare gli elementi di interconnessione direttamente nel reticolo del processore per ridurre il numero di passaggi richiesti per le porte remote.
Per ora, il lavoro dimostra un sottosistema promettente piuttosto che un computer quantistico modulare completo. Come scrivono gli autori, la sfida futura è l’uso affidabile e ripetuto di questi collegamenti nel calcolo con correzione d’errore.
Fonti
I fatti riportati in questa pagina provengono dalle fonti sotto indicate, raccolte da DesignQuantum.