Исследователи IBM соединили два 120-кубитных квантовых процессора Nighthawk R1 и добились средней точности передачи квантовых состояний 99%. Эксперимент продемонстрировал возможность объединения отдельных сверхпроводящих чипов в более крупные вычислительные системы.
Результаты представлены в препринте и пока не прошли независимое рецензирование.
Как IBM соединила квантовые процессоры
Одна из главных проблем квантовых компьютеров — масштабирование. Увеличение числа кубитов на одном процессоре усложняет управление ими, подключение управляющей электроники и подавление ошибок. Альтернативный подход предполагает объединение нескольких относительно небольших чипов в одну систему. Однако для этого необходимо передавать квантовые состояния между процессорами, не разрушая содержащуюся в них информацию.
Команда IBM использовала четыре межпроцессорных соединителя L-coupler. Каждый из них включает сверхпроводящий алюминиевый коаксиальный кабель длиной 80 см, два перестраиваемых промежуточных кубита и два элемента связи на основе RF-SQUID.
Кабели подключены перпендикулярно поверхности процессоров. Такая конструкция позволяет размещать больше соединений между модулями. Передача квантового состояния происходит с помощью промежуточных элементов: состояние одного кубита последовательно переносится через соединитель на кубит другого процессора.
Средняя точность передачи квантовых состояний, измеренная методом сетевого бенчмаркинга, составила 99%. Лучший соединитель обеспечил показатель 99,29%, то есть переданное состояние с высокой точностью соответствует исходному.
Для проверки возможности совместной работы чипов исследователи выполнили двухкубитные операции CZ (controlled-Z). Они позволяют создавать квантовую запутанность — связь между состояниями кубитов, необходимую для многих квантовых алгоритмов.
Средняя точность межпроцессорных операций составила 94,75%, максимальная — 96,42%. Ученые также одновременно создали две запутанные пары через соседние соединители и продемонстрировали четырех- и шесткубитные запутанные состояния GHZ, распределенные между процессорами.
Почему это еще не полноценный 240-кубитный компьютер
Эксперимент подтвердил возможность передачи состояний и выполнения квантовых операций между двумя крупными чипами. Однако исследователи не продемонстрировали универсальную вычислительную систему, способную использовать все 240 кубитов для выполнения произвольных алгоритмов.
Основным ограничением остается качество операций между процессорами. Средняя точность межпроцессорных CZ-операций составила 94,75%, что заметно ниже показателей лучших двухкубитных операций внутри современных сверхпроводящих процессоров. В сложных алгоритмах, требующих большого количества таких взаимодействий, ошибки могут накапливаться.
На качество передачи также влияют потери когерентности — способности кубитов сохранять квантовое состояние — и характеристики самих соединителей.
Исследователи обнаружили, что магнитное поле во время охлаждения сверхпроводящих кабелей способно существенно ухудшать их характеристики. Это создает дополнительные требования к конструкции и условиям эксплуатации будущих многопроцессорных систем.
Для масштабирования технологии IBM предстоит увеличить количество соединений, улучшить точность межчиповых операций и обеспечить их совместимость с механизмами квантовой коррекции ошибок.
Ставка на модульную архитектуру
Разработка соответствует долгосрочной стратегии IBM по созданию модульных квантовых компьютеров. Согласно дорожной карте, компания рассчитывает объединять до трех 120-кубитных модулей Nighthawk в системы общей емкостью 360 программируемых кубитов. В дальнейшем предусмотрено увеличение числа связанных процессоров.
В августе IBM также представила модульную криогенную архитектуру, предназначенную для размещения и охлаждения нескольких квантовых процессоров. Новый эксперимент решает другую часть задачи — создание квантовых соединений между чипами, способных передавать состояния и обеспечивать совместные операции.
Напомним, в октябре французская компания Alice&Bob представила результаты первого этапа государственной программы PROQCIMA, направленной на создание двух универсальных квантовых компьютеров с 1000 логических кубитов каждый к 2032 году.