IBM conecta dois chips de 120 qubits com quatro cabos quânticos supercondutores
Pesquisadores da IBM relatam uma ligação de quatro canais entre dois processadores de 120 qubits, com fidelidade média de 99% na transferência de estado em um preprint no arXiv.
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Pesquisadores da IBM afirmam ter demonstrado uma interconexão quântica de quatro canais entre dois processadores supercondutores de 120 qubits, um passo em direção a sistemas modulares construídos a partir de vários chips, em vez de um único die maior. Em um estudo publicado no arXiv em 27 de outubro, a equipe relatou fidelidade média de 99% na transferência de estados quânticos por enlaces supercondutores em escala de metros, juntamente com portas entre chips com fidelidade média de 94,75%. O trabalho é um preprint.
O que foi anunciado
No preprint, a IBM conectou dois processadores Nighthawk R1, cada um com 120 qubits, usando quatro cabos coaxiais de alumínio com cerca de 80 centímetros de comprimento dentro de um sistema criogênico. Os pesquisadores usaram os enlaces para transferir estados quânticos, realizar operações entre qubits em chips separados e gerar emaranhamento abrangendo ambos os processadores.
A empresa descreve o resultado como a primeira demonstração, até onde sabe, de uma interconexão quântica multicanal entre grandes processadores quânticos supercondutores. A configuração não envolveu todos os 240 qubits. Em vez disso, a equipe conectou e mediu qubits selecionados próximos às interconexões para acelerar o desenvolvimento.
Os detalhes técnicos
Cada enlace usou qubits dedicados nas extremidades do cabo, com elementos de acoplamento ajustáveis controlando as interações entre esses qubits e o enlace de micro-ondas. Usando benchmark de rede, os pesquisadores mediram a fidelidade da transferência de estado em ambas as direções e relataram que todos os quatro enlaces superaram 98,86%. O melhor enlace alcançou 99,29%, com uma incerteza de 0,07 ponto percentual.
A equipe então usou as conexões para implementar portas controlled-Z entre qubits computacionais em processadores diferentes. Essas portas remotas exigiram duas transferências de estado, três portas locais de dois qubits e controles adicionais de qubit único. A fidelidade média dessas portas distantes foi de 94,75%, enquanto a melhor chegou a 96,42%, com uma incerteza de 0,28 ponto percentual.
A IBM também relatou estados emaranhados distribuídos entre os dois chips. Os pesquisadores geraram simultaneamente dois pares emaranhados por enlaces adjacentes, embora um dos pares tenha mostrado fidelidade menor durante a operação simultânea. Eles também criaram estados emaranhados de quatro e seis qubits abrangendo os processadores. As fidelidades medidas foram de 77,23% para o estado de quatro qubits e 67,67% para o de seis qubits; após correção estatística para erros de medição, esses valores subiram para 91,70% e 90,87%.
Encapsulamento e confiabilidade
Uma parte notável do trabalho foi a integração mecânica e criogênica. Os cabos foram conectados perpendicularmente à superfície do chip, uma geometria que, segundo os pesquisadores, é mais adequada a layouts de interconexão mais densos do que arranjos paralelos anteriores. A fixação usou ligações por pressão índio-índio formadas em temperatura ambiente depois que os módulos do processador foram montados no criostato.
Segundo o estudo, todos os quatro enlaces permaneceram operacionais ao longo de três ciclos de aquecimento e resfriamento sem ajustes nas conexões.
O artigo também identifica campos magnéticos durante o resfriamento como uma fonte de perda nos cabos. A IBM adicionou duas camadas de blindagem magnética ao redor dos cabos, embora os pesquisadores descrevam a malha de blindagem como uma medida temporária.
Por que isso importa
O resultado aborda uma questão central de escalabilidade na computação quântica supercondutora: se vários processadores podem ser conectados sem perda excessiva da informação quântica necessária para computação útil. Construir sistemas maiores a partir de módulos pode aliviar restrições físicas relacionadas ao tamanho do chip, fiação e encapsulamento.
Ao mesmo tempo, os dados mostram a lacuna que ainda resta entre a transferência básica de estado e operações distribuídas completas. O modelo de erro da IBM atribuiu cerca de 77% do erro de transferência de estado à coerência limitada no cabo e nos qubits dedicados, especialmente à defasagem. Os pesquisadores afirmam que deliberadamente omitiram algumas etapas de fabricação e processamento conhecidas por melhorar o desempenho dos qubits para acelerar o experimento.
O que observar
O próximo teste será verificar se a IBM consegue transformar quatro enlaces funcionais em um número maior de conexões reprodutíveis e fabricáveis, ao mesmo tempo em que aumenta as fidelidades. O artigo também aponta para uma possível mudança de arquitetura: integrar elementos de interconexão diretamente na malha do processador para reduzir o número de etapas necessárias para portas remotas.
Por ora, o trabalho demonstra um subsistema promissor, e não um computador quântico modular completo. Como dizem os autores, o desafio daqui para frente é o uso confiável e repetido desses enlaces em computação com correção de erros.
Fontes
Os fatos desta página vêm das fontes abaixo, reunidas pela DesignQuantum.