IBM свърза два квантови чипа с 99% точност

IBM съобщи на 27 октомври, че е свързала два свои квантови процесора с кабели, дълги по 80 сантиметра, и е пренесла квантово състояние между тях с 99% средна точност. Експериментът е направен в изследователския център Thomas J. Watson в Йорктаун Хайтс и е описан в препринт на arXiv с 42 автори, подаден на 21 октомври. Това е първата демонстрация на няколко паралелни квантови канала между големи свръхпроводящи процесори — и предпоставката за машините, които IBM обещава до 2029 г.

Какво точно е направено

Двата чипа са IBM Quantum Nighthawk R1 с по 120 кубита. Между тях са включени четири т.нар. l-coupler — свръхпроводящи коаксиални кабели от алуминий с непрекъсната дължина около 80 cm, работещи на честота около 5 GHz. И двата процесора стоят в един и същ криостат.

Числата от публикацията в блога на IBM Quantum:

• пренос на квантово състояние между чиповете: 99,00% средна точност, най-добрият канал — 99,29 ± 0,07%;
• двукубитова операция (CZ) между кубити в различни модули: 94,75% средно, най-добър резултат 96,42 ± 0,28%;
• добротност на резонансните моди в кабелите: от 0,86 до 1,09 милиона.

Екипът е генерирал и заплетени двойки между кубити на различните чипове, включително две двойки едновременно през два съседни канала. Кабелите са издържали три цикъла на затопляне и повторно охлаждане без значима загуба на качество — на пръв поглед досадна подробност, която обаче е задължителна за машина, която трябва да се сервизира.

Снимка: IBM Research

Защо е важно

Единичният чип не може да расте безкрайно — колкото повече кубити натъпчете в едно парче силиций, толкова по-трудно става окабеляването, охлаждането и калибрирането. Алтернативата е модулност: много по-малки процесори, които си говорят помежду си, както днешните сървъри. Проблемът е, че квантовата информация не се копира и не се „усилва” по пътя; всяка загуба по кабела е безвъзвратна.

Точно това прави 99% интересни. Преносът през метър кабел вече е почти толкова добър, колкото операциите вътре в чипа. Операцията между два модула обаче все още изостава — 94,75% е далеч от нужното за коригиране на грешки. IBM обяснява разликата с допълнителните буферни кубити по веригата и смята, че над 99% е постижимо с по-добра кохерентност.

Инженерните дребности

Два детайла си заслужават споменаване. Кабелите не са закрепени с класическо wire bonding, а с перпендикулярни притискащи връзки индий към индий, които се правят, след като процесорите вече са монтирани — така се пази площ върху чипа и модулите могат да стоят по-нагъсто.

Другият е открит по трудния начин: магнитно поле по време на охлаждането на алуминиевия кабел „замразява” захванат магнитен поток и влошава загубите до шест пъти. Решението е многослоен магнитен екран. Такива ефекти не се виждат в симулация и обикновено изяждат години, ако не бъдат хванати навреме.

Къде се вписва в плана

През август IBM обяви, че е свързала и охладила два криогенни модула в една обща среда — конструкция от над 2,4 метра височина и широчина, която стига до 4 K за под 5 дни и после слиза под 15 милкелвина, с 12 пъти повече място за окабеляване от сегашните системи. Следващата стъпка по пътната карта е през 2027 г.: няколко процесора, свързани с l-couplers, в машина с над 1000 програмируеми кубита. Целта за 2029 г. остава IBM Quantum Starling — първият компютър с толерантност към грешки, съставен от стотици чипове.

Струва си да се отбележи, че резултатът е препринт и още не е минал независима научна рецензия, както отбелязва и Science. Също така 80 cm в един криостат не са същото като връзка между две отделни хладилни инсталации, камо ли между две сгради — засега всичко се случва в едно студено пространство.

Заключение

Няма пробив в алгоритмите и няма нови рекорди по брой кубити — има кабел, който работи. Но модулността е единственият известен начин квантовите компютри да стигнат до милиони кубити, а досега основният въпрос беше дали квантовата информация ще изживее пътя между два чипа. Отговорът на IBM е „в 99% от случаите, да”. Остава двукубитовата операция между модулите да стигне същото ниво — и темпото на индустрията да оправдае очакванията, които вече променят и инфраструктурата около нас: ICANN например свали прогнозата си за квантово-устойчив DNS до три до пет години, а по класическите канали китайски екип вече пренася 3,2 Pb/s по едно влакно.