IBM łączy dwa 120-kubitowe układy czterema nadprzewodzącymi kablami kwantowymi
Badacze z IBM informują o czterokanałowym łączu między dwoma 120-kubitowymi procesorami, z średnią wiernością transferu stanu na poziomie 99% w preprincie opublikowanym w arXiv.
Ta strona została przetłumaczona z angielskiego. Nazwy firm i produktów oraz linki do źródeł pozostają bez zmian. Przeczytaj oryginał po angielsku
Badacze z IBM twierdzą, że zademonstrowali czterokanałowe połączenie kwantowe między dwoma 120-kubitowymi procesorami nadprzewodzącymi — to krok w stronę systemów modułowych budowanych z wielu układów, a nie z jednego większego chipa. W badaniu opublikowanym w arXiv 27 października zespół podał średnią wierność transferu stanów kwantowych na poziomie 99% przez nadprzewodzące łącza o długości rzędu metra, a także bramki między układami o średniej wierności 94,75%. Praca ma formę preprintu.
Co ogłoszono
W preprincie IBM połączył dwa procesory Nighthawk R1, każdy z 120 kubitami, za pomocą czterech aluminiowych kabli koncentrycznych o długości około 80 centymetrów wewnątrz układu kriogenicznego. Badacze wykorzystali te łącza do transferu stanów kwantowych, wykonywania operacji między kubitami na oddzielnych układach oraz generowania splątania obejmującego oba procesory.
Firma opisuje ten wynik jako pierwszą, według swojej wiedzy, demonstrację wielokanałowego połączenia kwantowego między dużymi nadprzewodzącymi procesorami kwantowymi. Konfiguracja nie obejmowała wszystkich 240 kubitów. Zamiast tego zespół podłączył i mierzył wybrane kubity w pobliżu połączeń, aby przyspieszyć prace rozwojowe.
Szczegóły techniczne
Każde łącze wykorzystywało dedykowane kubity na końcach kabla, a dostrajane elementy sprzęgające sterowały oddziaływaniami między tymi kubitami a łączem mikrofalowym. Korzystając z benchmarkingu sieciowego, badacze zmierzyli wierność transferu stanów w obu kierunkach i podali, że wszystkie cztery łącza przekroczyły 98,86%. Najlepsze łącze osiągnęło 99,29%, z niepewnością wynoszącą 0,07 punktu procentowego.
Następnie zespół wykorzystał te połączenia do implementacji bramek controlled-Z między kubitami obliczeniowymi na różnych procesorach. Te zdalne bramki wymagały dwóch transferów stanu, trzech lokalnych bramek dwukubitowych oraz dodatkowego sterowania jednokubitowego. Średnia wierność tych odległych bramek wyniosła 94,75%, a najlepszy wynik sięgnął 96,42%, z niepewnością 0,28 punktu procentowego.
IBM poinformował także o stanach splątanych rozdzielonych między dwa układy. Badacze wygenerowali jednocześnie dwie splątane pary przez sąsiednie łącza, chociaż jedna z par wykazała niższą wierność podczas jednoczesnej pracy. Następnie utworzono także czterokubitowe i sześciokubitowe stany splątane obejmujące oba procesory. Zmierzone wierności wyniosły 77,23% dla stanu czterokubitowego i 67,67% dla stanu sześciokubitowego; po statystycznej korekcie błędów pomiarowych wartości te wzrosły odpowiednio do 91,70% i 90,87%.
Obudowa i niezawodność
Istotną częścią prac była integracja mechaniczna i kriogeniczna. Kable były podłączone prostopadle do powierzchni układu — badacze twierdzą, że taka geometria lepiej nadaje się do gęstszych układów połączeń niż wcześniejsze rozwiązania równoległe. Do połączenia użyto styków dociskowych ind-ind formowanych w temperaturze pokojowej po zamontowaniu modułów procesora w kriostacie.
Według badania wszystkie cztery łącza pozostały sprawne przez trzy cykle ogrzewania i ponownego schładzania bez konieczności regulacji połączeń.
W artykule wskazano również pola magnetyczne podczas schładzania jako źródło strat w kablach. IBM dodał dwie warstwy ekranowania magnetycznego wokół kabli, choć badacze opisują ekranowany oplot jako rozwiązanie tymczasowe.
Dlaczego to ma znaczenie
Wynik odnosi się do kluczowego pytania o skalowanie w nadprzewodzącym przetwarzaniu kwantowym: czy można połączyć wiele procesorów bez nadmiernej utraty informacji kwantowej potrzebnej do użytecznych obliczeń. Budowanie większych systemów z modułów mogłoby złagodzić fizyczne ograniczenia związane z rozmiarem układów, okablowaniem i obudową.
Jednocześnie dane pokazują, jak duża pozostaje luka między podstawowym transferem stanów a pełnymi operacjami rozproszonymi. Model błędów IBM przypisał około 77% błędu transferu stanu ograniczonej koherencji kabla i dedykowanych kubitów, zwłaszcza dekoherencji fazowej. Badacze twierdzą, że celowo pominęli część etapów wytwarzania i przetwarzania, o których wiadomo, że poprawiają parametry kubitów, aby przyspieszyć eksperyment.
Na co zwrócić uwagę
Kolejnym testem będzie to, czy IBM zdoła przekształcić cztery działające łącza w większą liczbę powtarzalnych, możliwych do wytwarzania połączeń przy jednoczesnym zwiększeniu wierności. Artykuł wskazuje także na możliwą zmianę architektoniczną: integrację elementów połączeń bezpośrednio w siatce procesora, aby zmniejszyć liczbę kroków potrzebnych do realizacji zdalnych bramek.
Na razie praca pokazuje obiecujący podsystem, a nie kompletny modułowy komputer kwantowy. Jak ujęli to autorzy, stojącym przed nimi wyzwaniem jest niezawodne, powtarzalne wykorzystanie takich połączeń w obliczeniach z korekcją błędów.
Źródła
Fakty na tej stronie pochodzą z poniższych źródeł, zebranych przez DesignQuantum.