IBM用四条超导量子电缆连接两枚120量子比特芯片

IBM研究人员在一篇arXiv预印本中报告称，两枚120量子比特处理器之间实现了四通道连接，平均态传输保真度达到99%。

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IBM研究人员表示，他们已经在两枚120量子比特超导处理器之间演示了四通道量子互连，这是朝着由多枚芯片构建模块化系统、而非依赖单一更大裸片迈出的一步。根据团队于10月27日发布在arXiv上的一项研究，他们在米级超导链路上实现了99%的平均量子态传输保真度，同时跨芯片门操作的平均保真度为94.75%。这项工作目前仍是预印本。

发布了什么

在这篇预印本中，IBM在低温系统内部使用四根长度约80厘米的铝制同轴电缆，将两枚Nighthawk R1处理器连接起来，每枚处理器各有120个量子比特。研究人员利用这些链路传输量子态、在分属不同芯片的量子比特之间执行操作，并生成跨越两枚处理器的纠缠。

IBM表示，据其所知，这是首次在大型超导量子处理器之间演示多通道量子互连。该装置并未动用全部240个量子比特。相反，团队选择了靠近互连位置的部分量子比特进行布线和测量，以加快开发进度。

技术细节

每条链路都在电缆两端使用专用量子比特，并通过可调耦合元件控制这些量子比特与微波链路之间的相互作用。研究人员利用网络基准测试测量了双向态传输保真度，并报告称四条链路全部超过98.86%。其中最佳链路达到99.29%，不确定度为0.07个百分点。

随后，团队利用这些连接在不同处理器上的计算量子比特之间实现了受控-Z门。这些远程门需要进行两次态传输、三次本地双量子比特门操作以及额外的单量子比特控制。这些远程门的平均保真度为94.75%，最佳达到96.42%，不确定度为0.28个百分点。

IBM还报告了分布在两枚芯片上的纠缠态。研究人员通过相邻链路同时生成了两对纠缠对，不过其中一对在同时运行时表现出较低保真度。他们还进一步创建了跨越两枚处理器的四量子比特和六量子比特纠缠态。测得的保真度分别为：四量子比特态77.23%，六量子比特态67.67%；在对测量误差进行统计校正后，这两个数值分别上升至91.70%和90.87%。

封装与可靠性

这项工作中一个值得注意的部分是机械与低温集成。电缆以垂直于芯片表面的方式连接，研究人员称，与早期的平行布局相比，这种几何结构更适合更高密度的互连布局。连接采用铟对铟的压力键合方式，在处理器模块安装到低温恒温器中之后，于室温下形成。

根据论文，四条链路在经历三次升温和降温循环后，仍全部保持可运行状态，且无需调整连接。

论文还指出，降温过程中出现的磁场是电缆损耗的一个来源。IBM在电缆周围增加了两层磁屏蔽，不过研究人员将这种屏蔽编织层描述为临时措施。

为什么重要

这一结果回应了超导量子计算扩展中的一个核心问题：能否在不过多损失有用计算所需量子信息的情况下，将多个处理器连接起来。通过模块构建更大系统，可能有助于缓解芯片尺寸、布线和封装方面的物理约束。

与此同时，数据也显示出基础态传输与完整分布式操作之间仍存在差距。IBM的误差模型将约77%的态传输误差归因于电缆和专用量子比特相干性有限，尤其是退相位。研究人员表示，为了加快实验进度，他们有意跳过了一些已知能够提升量子比特性能的制造和处理步骤。

接下来关注什么

下一项考验将是，IBM能否在提升保真度的同时，将四条可工作的链路扩展为更多可重复、可制造的连接。论文还指出了一种可能的架构变化：将互连元件直接集成到处理器晶格中，以减少远程门所需的步骤数。

就目前而言，这项工作展示的是一个很有前景的子系统，而不是一台完整的模块化量子计算机。正如作者所说，接下来的挑战是在纠错计算中可靠、反复地使用这类链路。