IBM соединила два 120-кубитных чипа четырьмя сверхпроводящими квантовыми кабелями
Исследователи IBM сообщили о четырёхканальном соединении между двумя 120-кубитными процессорами со средней точностью передачи состояния 99% в препринте на arXiv.
Эта страница переведена с английского. Названия компаний и продуктов, а также ссылки на источники оставлены без изменений. Читать оригинал на английском
Исследователи IBM заявили, что продемонстрировали четырёхканальное квантовое межсоединение между двумя 120-кубитными сверхпроводящими процессорами — это шаг к модульным системам, собранным из нескольких чипов, а не из одного более крупного кристалла. В исследовании, опубликованном на arXiv 27 октября, команда сообщила о средней точности передачи квантового состояния 99% по сверхпроводящим линиям метрового масштаба, а также о межчиповых вентилях со средней точностью 94.75%. Работа представляет собой препринт.
Что объявили
В препринте IBM соединила два процессора Nighthawk R1, каждый по 120 кубитов, с помощью четырёх алюминиевых коаксиальных кабелей длиной около 80 centimeters внутри криогенной системы. Исследователи использовали эти соединения для передачи квантовых состояний, выполнения операций между кубитами на разных чипах и создания запутанности, охватывающей оба процессора.
Компания описывает результат как первую, насколько ей известно, демонстрацию многоканального квантового межсоединения между крупными сверхпроводящими квантовыми процессорами. В установке были задействованы не все 240 кубитов. Вместо этого команда подключила и измеряла выбранные кубиты рядом с межсоединениями, чтобы ускорить разработку.
Технические детали
В каждом соединении использовались выделенные кубиты на концах кабеля, а настраиваемые элементы связи управляли взаимодействиями между этими кубитами и микроволновой линией. С помощью сетевого бенчмаркинга исследователи измерили точность передачи состояния в обоих направлениях и сообщили, что все четыре соединения превысили 98.86%. Лучшее соединение достигло 99.29% при неопределённости 0.07 процентного пункта.
Затем команда использовала эти соединения, чтобы реализовать вентили controlled-Z между вычислительными кубитами на разных процессорах. Эти удалённые вентили требовали двух передач состояния, трёх локальных двухкубитных вентилей и дополнительных однокубитных управляющих операций. Средняя точность для этих удалённых вентилей составила 94.75%, а лучший результат достиг 96.42% при неопределённости 0.28 процентного пункта.
IBM также сообщила о запутанных состояниях, распределённых между двумя чипами. Исследователи одновременно сгенерировали две запутанные пары через соседние соединения, хотя одна пара показала более низкую точность при одновременной работе. Кроме того, они создали четырёхкубитные и шестикubitные запутанные состояния, охватывающие оба процессора. Измеренная точность составила 77.23% для четырёхкубитного состояния и 67.67% для шестикubitного состояния; после статистической коррекции ошибок измерения эти значения выросли до 91.70% и 90.87%.
Корпусирование и надёжность
Заметной частью работы стала механическая и криогенная интеграция. Кабели крепились перпендикулярно поверхности чипа — по словам исследователей, такая геометрия лучше подходит для более плотных схем межсоединений, чем прежние параллельные компоновки. Для крепления использовались индий-индиевые прижимные соединения, сформированные при комнатной температуре после монтажа модулей процессора в криостат.
Согласно исследованию, все четыре соединения оставались работоспособными в ходе трёх циклов нагрева и охлаждения без какой-либо подстройки соединений.
В статье также указывается, что источником потерь в кабеле являются магнитные поля во время охлаждения. IBM добавила вокруг кабелей два слоя магнитного экранирования, хотя исследователи описывают экранирующую оплётку как временную меру.
Почему это важно
Этот результат затрагивает центральный вопрос масштабирования сверхпроводящих квантовых вычислений: можно ли связать несколько процессоров, не потеряв слишком большую часть квантовой информации, необходимой для полезных вычислений. Построение более крупных систем из модулей могло бы ослабить физические ограничения, связанные с размером чипа, разводкой и корпусированием.
В то же время данные показывают сохраняющийся разрыв между базовой передачей состояния и полноценными распределёнными операциями. В модели ошибок IBM около 77% ошибки передачи состояния было связано с ограниченной когерентностью кабеля и выделенных кубитов, особенно с дефазировкой. Исследователи говорят, что намеренно пропустили некоторые этапы изготовления и обработки, которые, как известно, улучшают характеристики кубитов, чтобы ускорить эксперимент.
На что обратить внимание
Следующей проверкой станет то, сможет ли IBM превратить четыре работающих соединения в большее число воспроизводимых, пригодных для производства соединений, одновременно повышая точность. В статье также указывается на возможное архитектурное изменение: интеграцию элементов межсоединения непосредственно в решётку процессора, чтобы сократить число шагов, необходимых для удалённых вентилей.
Пока что эта работа демонстрирует многообещающую подсистему, а не полноценный модульный квантовый компьютер. Как пишут авторы, следующая задача — надёжное и многократное использование таких соединений в вычислениях с коррекцией ошибок.
Источники
Факты на этой странице взяты из указанных ниже источников и собраны DesignQuantum.