IBM verbindt twee chips van 120 qubits met vier supergeleidende kwantumkabels
Onderzoekers van IBM melden een vierkanaalsverbinding tussen twee processors van 120 qubits, met een gemiddelde fideliteit van 99% voor toestandsoverdracht in een preprint op arXiv.
Deze pagina is vertaald vanuit het Engels. Bedrijfs- en productnamen en bronlinks zijn ongewijzigd. Lees het origineel in het Engels
Onderzoekers van IBM zeggen dat ze een vierkanaals kwantuminterconnect hebben gedemonstreerd tussen twee supergeleidende processors van 120 qubits, een stap richting modulaire systemen die uit meerdere chips zijn opgebouwd in plaats van uit één grotere chip. In een studie die op 27 oktober op arXiv werd geplaatst, rapporteerde het team een gemiddelde fideliteit van 99% voor de overdracht van kwantumtoestanden over supergeleidende verbindingen op meterschaal, samen met poorten tussen chips met een gemiddelde fideliteit van 94,75%. Het werk is een preprint.
Wat is aangekondigd
In de preprint verbond IBM twee Nighthawk R1-processors, elk met 120 qubits, met vier aluminium coaxkabels van ongeveer 80 centimeter lang binnen een cryogeen systeem. De onderzoekers gebruikten de verbindingen om kwantumtoestanden over te dragen, bewerkingen uit te voeren tussen qubits op afzonderlijke chips en verstrengeling te genereren die zich over beide processors uitstrekte.
Het bedrijf beschrijft het resultaat als, voor zover het weet, de eerste demonstratie van een meerkanaals kwantuminterconnect tussen grote supergeleidende kwantumprocessors. De opstelling maakte geen gebruik van alle 240 qubits. In plaats daarvan bedraadde en mat het team geselecteerde qubits in de buurt van de interconnects om de ontwikkeling te versnellen.
De technische details
Elke verbinding gebruikte speciale qubits aan de uiteinden van de kabel, waarbij afstembare koppelingselementen de interacties regelden tussen die qubits en de microgolfverbinding. Met behulp van network benchmarking maten de onderzoekers de fideliteit van toestandsoverdracht in beide richtingen en rapporteerden zij dat alle vier de verbindingen hoger uitkwamen dan 98,86%. De beste verbinding bereikte 99,29%, met een onzekerheid van 0,07 procentpunt.
Vervolgens gebruikte het team de verbindingen om controlled-Z-poorten te implementeren tussen rekqubits op verschillende processors. Deze poorten op afstand vereisten twee toestandsoverdrachten, drie lokale twee-qubitpoorten en aanvullende besturing van enkele qubits. De gemiddelde fideliteit voor deze poorten op afstand was 94,75%, terwijl de beste 96,42% bereikte, met een onzekerheid van 0,28 procentpunt.
IBM rapporteerde ook verstrengelde toestanden die over de twee chips waren verdeeld. De onderzoekers genereerden gelijktijdig twee verstrengelde paren via aangrenzende verbindingen, al liet één paar tijdens gelijktijdige werking een lagere fideliteit zien. Daarnaast maakten zij verstrengelde toestanden van vier en zes qubits die zich over de processors uitstrekten. De gemeten fideliteiten waren 77,23% voor de vier-qubittoestand en 67,67% voor de zes-qubittoestand; na statistische correctie voor meetfouten stegen die waarden naar 91,70% en 90,87%.
Packaging en betrouwbaarheid
Een opvallend onderdeel van het werk was de mechanische en cryogene integratie. De kabels waren loodrecht op het chipoppervlak bevestigd, een geometrie die volgens de onderzoekers beter geschikt is voor dichtere interconnectindelingen dan eerdere parallelle opstellingen. Voor de bevestiging werden indium-op-indium drukverbindingen gebruikt die bij kamertemperatuur werden gevormd nadat de processormodules in de cryostaat waren gemonteerd.
Volgens de studie bleven alle vier de verbindingen operationeel gedurende drie opwarm- en afkoelcycli zonder aanpassingen aan de verbindingen.
Het artikel wijst ook op magnetische velden tijdens het afkoelen als bron van kabelverlies. IBM voegde twee lagen magnetische afscherming rond de kabels toe, al omschrijven de onderzoekers de afschermende vlecht als een tijdelijke maatregel.
Waarom dit van belang is
Het resultaat raakt aan een centrale schaalbaarheidsvraag voor supergeleidende kwantumcomputers: of meerdere processors kunnen worden gekoppeld zonder te veel van de kwantuminformatie te verliezen die nodig is voor bruikbare berekeningen. Grotere systemen opbouwen uit modules zou fysieke beperkingen rond chipgrootte, bedrading en packaging kunnen verlichten.
Tegelijkertijd laten de gegevens zien hoe groot de resterende kloof is tussen eenvoudige toestandsoverdracht en volledig gedistribueerde bewerkingen. In het foutmodel van IBM werd ongeveer 77% van de fout bij toestandsoverdracht toegeschreven aan beperkte coherentie in de kabel en de speciale qubits, vooral dephasering. De onderzoekers zeggen dat zij opzettelijk enkele fabricage- en verwerkingsstappen hebben overgeslagen waarvan bekend is dat ze de prestaties van qubits verbeteren, om het experiment te versnellen.
Waar je op moet letten
De volgende test zal zijn of IBM vier werkende verbindingen kan omzetten in een groter aantal reproduceerbare, produceerbare verbindingen, terwijl de fideliteiten stijgen. Het artikel wijst ook op een mogelijke architectuurwijziging: interconnectelementen direct integreren in het processorrooster om het aantal stappen dat nodig is voor poorten op afstand te verminderen.
Voorlopig demonstreert het werk een veelbelovend subsysteem in plaats van een volledige modulaire kwantumcomputer. Zoals de auteurs het formuleren, is de uitdaging die voorligt het betrouwbare, herhaalde gebruik van zulke verbindingen in foutgecorrigeerde berekeningen.
Bronnen
De feiten op deze pagina zijn afkomstig uit onderstaande bronnen, verzameld door DesignQuantum.