IBM verbindet zwei 120-Qubit-Chips mit 80-cm-Kabeln bei 99 % Genauigkeit

Forscher von IBM haben zwei supraleitende Quantenprozessoren mit je 120 Qubits durch vier jeweils 80 Zentimeter lange Kabel verbunden und Quantenzustände zwischen den Chips mit einer mittleren Genauigkeit von 99,00 Prozent übertragen. Die Arbeit, an der ein Team unter anderem um Neereja Sundaresan beteiligt ist, wurde am 21. Oktober als Preprint auf arXiv mit dem Titel „Meter-scale quantum interconnects between large quantum processors“ (Quantenverbindungen im Meterbereich zwischen großen Quantenprozessoren) veröffentlicht; sie ist noch nicht begutachtet.

Warum Chips Kabel brauchen

Ein Quantencomputer speichert Information in Qubits. Anders als ein gewöhnliches Bit, das entweder 0 oder 1 ist, kann ein Qubit bis zur Messung in einer Kombination beider Zustände sein. Immer mehr Qubits auf einem einzigen Chip unterzubringen ist schwierig, deshalb verfolgt IBM einen modularen Ansatz: mehrere Prozessoren, jeweils ein Modul, die miteinander verbunden werden. Dazu müssen die Verbindungen empfindliche Quantenzustände über für Chip-Maßstäbe große Entfernungen tragen, und eine Maschine wird zwischen je zwei Modulen viele identische Verbindungen benötigen.

Das Team nennt seine Verbindungen Langstreckenkoppler oder L-Coupler. In dieser Arbeit verbanden vier davon zwei IBM-Nighthawk-R1-Prozessoren mit jeweils 120 Qubits.

Wie ein L-Coupler aufgebaut ist

Jeder L-Coupler verbindet zwei Qubits der Gitter der Prozessoren über zwei frequenzabstimmbare „L-Qubits“, zwei Koppler auf Basis einer supraleitenden RF-SQUID-Schaltung und 80 Zentimeter supraleitendes Aluminium-Koaxialkabel. Das Kabel steht senkrecht zur Prozessoroberfläche, was dichtere Verbindungen erlaubt, und ist mit dem Chip durch eine Indium-Indium-Druckverbindung befestigt, die bei Raumtemperatur hergestellt wurde, nachdem beide Module bereits im Kryostaten montiert waren, dem Kühlschrank, der die Qubits kalt hält. Die Moden der Verbindungen liegen bei etwa 5 Gigahertz, mit internen Gütefaktoren von 0,86 bis 1,09 Millionen, einem Maß dafür, wie wenig Energie sie verlieren.

Was die Zahlen zeigen

• Die Zustandsübertragung durch die Verbindungen, gemessen per Netzwerk-Benchmarking, erreichte eine mittlere Fidelity von 99,00 Prozent. Die beste Verbindung erreichte 99,29 ± 0,07 Prozent.
• Zwei-Qubit-CZ-Gatter zwischen Qubits auf verschiedenen Chips liefen mit einer mittleren Fidelity von 94,75 Prozent, die beste Verbindung erreichte 96,42 ± 0,28 Prozent.
• Mit diesen Gattern erzeugten die Forscher verschränkte Zustände über die beiden Prozessoren hinweg, darunter gleichzeitige Bell-Paare über zwei benachbarte L-Coupler.

Fidelity ist hier der Anteil des beabsichtigten Quantenzustands, der unversehrt ankommt; 100 Prozent wären eine perfekte Übertragung. Verschränkung ist eine Quantenverbindung zwischen Teilchen, bei der der Zustand des einen nicht ohne das andere beschrieben werden kann.

Grenzen

Wie ScienceAlert berichtet, verloren die Kabel im Betrieb sehr wenig Energie und blieben über drei Zyklen des Aufwärmens und Abkühlens funktionsfähig. Die Forscher bemerkten außerdem magnetische Störungen, die die Signalqualität beeinträchtigten, und weitere Effizienzverbesserungen werden nötig sein, bevor die L-Coupler praxistauglich sind. Die Autoren schreiben, dies sei nach ihrem Wissen die erste Demonstration einer mehrkanaligen Quantenverbindung zwischen supraleitenden Prozessoren mit vielen Qubits.

IBM hat erklärt, bis 2029 einen fehlertoleranten Quantencomputer liefern zu wollen. Mehr Technologieberichte finden Sie in unserer Rubrik Technologie.