IBM liên kết hai chip 120 qubit bằng bốn cáp lượng tử siêu dẫn
Các nhà nghiên cứu IBM báo cáo một liên kết bốn kênh giữa hai bộ xử lý 120 qubit, với độ trung thực truyền trạng thái trung bình 99% trong một bản thảo đăng trên arXiv.
Trang này được dịch từ tiếng Anh. Tên công ty, sản phẩm và liên kết nguồn được giữ nguyên. Đọc bản gốc tiếng Anh
Các nhà nghiên cứu IBM cho biết họ đã trình diễn một kết nối liên chip lượng tử bốn kênh giữa hai bộ xử lý siêu dẫn 120 qubit, một bước tiến hướng tới các hệ thống mô-đun được xây dựng từ nhiều chip thay vì một đế chip lớn duy nhất. Trong một nghiên cứu được đăng lên arXiv ngày 27 tháng 10, nhóm nghiên cứu báo cáo độ trung thực truyền trạng thái lượng tử trung bình đạt 99% qua các liên kết siêu dẫn dài cỡ mét, cùng với các cổng liên chip có độ trung thực trung bình 94,75%. Công trình này hiện là bản thảo tiền công bố.
Những gì đã được công bố
Trong bản thảo, IBM đã kết nối hai bộ xử lý Nighthawk R1, mỗi bộ có 120 qubit, bằng bốn cáp đồng trục nhôm dài khoảng 80 centimeter bên trong một hệ thống nhiệt độ cực thấp. Các nhà nghiên cứu sử dụng các liên kết này để truyền trạng thái lượng tử, thực hiện các phép toán giữa các qubit trên các chip riêng biệt, và tạo ra vướng víu lượng tử trải trên cả hai bộ xử lý.
Công ty mô tả đây là lần trình diễn đầu tiên, theo hiểu biết của họ, về một kết nối liên chip lượng tử đa kênh giữa các bộ xử lý lượng tử siêu dẫn quy mô lớn. Hệ thống này không sử dụng toàn bộ 240 qubit. Thay vào đó, nhóm đã kết nối và đo các qubit được chọn gần các bộ liên kết để đẩy nhanh quá trình phát triển.
Chi tiết kỹ thuật
Mỗi liên kết sử dụng các qubit chuyên dụng ở hai đầu cáp, với các phần tử ghép nối có thể điều chỉnh để kiểm soát tương tác giữa các qubit đó và liên kết vi sóng. Bằng phương pháp đánh giá chuẩn mạng, các nhà nghiên cứu đo độ trung thực truyền trạng thái theo cả hai chiều và báo cáo rằng cả bốn liên kết đều vượt 98,86%. Liên kết tốt nhất đạt 99,29%, với độ không chắc chắn là 0,07 điểm phần trăm.
Sau đó, nhóm sử dụng các kết nối này để triển khai các cổng controlled-Z giữa các qubit tính toán trên những bộ xử lý khác nhau. Các cổng từ xa này cần hai lần truyền trạng thái, ba cổng hai qubit cục bộ và thêm các điều khiển một qubit. Độ trung thực trung bình của các cổng khoảng cách xa này là 94,75%, trong khi mức tốt nhất đạt 96,42%, với độ không chắc chắn là 0,28 điểm phần trăm.
IBM cũng báo cáo các trạng thái vướng víu được phân phối trên hai chip. Các nhà nghiên cứu đã tạo đồng thời hai cặp vướng víu thông qua các liên kết kề nhau, dù một cặp cho thấy độ trung thực thấp hơn khi vận hành đồng thời. Họ tiếp tục tạo ra các trạng thái vướng víu bốn qubit và sáu qubit trải trên các bộ xử lý. Độ trung thực đo được là 77,23% đối với trạng thái bốn qubit và 67,67% đối với trạng thái sáu qubit; sau khi hiệu chỉnh thống kê cho sai số đo, các giá trị này tăng lên lần lượt 91,70% và 90,87%.
Đóng gói và độ tin cậy
Một phần đáng chú ý của công trình là tích hợp cơ khí và nhiệt độ cực thấp. Các cáp được gắn vuông góc với bề mặt chip, một hình học mà các nhà nghiên cứu cho là phù hợp hơn với các bố trí liên kết dày đặc hơn so với những cách sắp xếp song song trước đây. Phần gắn nối sử dụng các mối nối ép indium-với-indium được tạo ở nhiệt độ phòng sau khi các mô-đun bộ xử lý được lắp vào cryostat.
Theo nghiên cứu, cả bốn liên kết vẫn hoạt động xuyên suốt ba chu kỳ làm ấm và làm lạnh mà không cần điều chỉnh kết nối.
Bài báo cũng xác định từ trường trong quá trình làm lạnh là một nguồn gây suy hao cáp. IBM đã bổ sung hai lớp che chắn từ quanh các cáp, dù các nhà nghiên cứu mô tả lớp lưới che chắn này là một biện pháp tạm thời.
Vì sao điều này quan trọng
Kết quả này giải quyết một câu hỏi then chốt về mở rộng quy mô trong điện toán lượng tử siêu dẫn: liệu có thể liên kết nhiều bộ xử lý mà không làm mất quá nhiều thông tin lượng tử cần thiết cho tính toán hữu ích hay không. Việc xây dựng các hệ thống lớn hơn từ các mô-đun có thể giúp nới lỏng các ràng buộc vật lý liên quan đến kích thước chip, đi dây và đóng gói.
Đồng thời, dữ liệu cũng cho thấy khoảng cách còn lại giữa truyền trạng thái cơ bản và các phép toán phân tán hoàn chỉnh. Mô hình lỗi của IBM quy khoảng 77% sai số truyền trạng thái cho độ kết hợp hữu hạn trong cáp và các qubit chuyên dụng, đặc biệt là mất pha. Các nhà nghiên cứu cho biết họ đã chủ ý bỏ qua một số bước chế tạo và xử lý vốn được biết là có thể cải thiện hiệu năng qubit để đẩy nhanh thí nghiệm.
Điều cần theo dõi
Bài kiểm tra tiếp theo sẽ là liệu IBM có thể biến bốn liên kết đang hoạt động thành số lượng kết nối lớn hơn, có thể tái tạo và có thể sản xuất được, đồng thời nâng độ trung thực lên hay không. Bài báo cũng chỉ ra một thay đổi kiến trúc khả dĩ: tích hợp trực tiếp các phần tử liên kết vào mạng bộ xử lý để giảm số bước cần thiết cho các cổng từ xa.
Hiện tại, công trình này cho thấy một phân hệ đầy hứa hẹn hơn là một máy tính lượng tử mô-đun hoàn chỉnh. Như các tác giả nhận định, thách thức phía trước là sử dụng các liên kết như vậy một cách đáng tin cậy và lặp lại trong tính toán có sửa lỗi.
Nguồn
Các thông tin trên trang này được tổng hợp từ các nguồn dưới đây, do DesignQuantum truy xuất.