IBM соединила два 120-кубитных чипа 80-сантиметровыми кабелями с точностью 99%

Исследователи IBM соединили два 120-кубитных сверхпроводящих квантовых процессора четырьмя кабелями длиной по 80 сантиметров и передавали квантовые состояния между чипами со средней точностью 99,00 процента. Работа, в которой участвует группа во главе с Нирджей Сундаресан, выложена 21 октября в виде препринта на arXiv под названием «Метровые квантовые соединения между большими квантовыми процессорами»; рецензирование она пока не прошла.

Зачем чипам кабели

Квантовый компьютер хранит информацию в кубитах. В отличие от обычного бита, который равен 0 или 1, кубит может находиться в сочетании обоих состояний, пока его не измерят. Упаковать всё больше кубитов на один чип трудно, поэтому IBM идёт модульным путём: несколько процессоров-модулей, соединённых между собой. Для этого связи должны переносить хрупкие квантовые состояния на расстояния, которые по меркам чипа велики, а машине понадобится много одинаковых связей между любыми двумя модулями.

Команда называет свои связи дальнодействующими соединителями, или L-couplers. В этой работе четыре таких соединителя связали два процессора IBM Nighthawk R1, в каждом по 120 кубитов.

Как устроен L-соединитель

Каждый L-соединитель связывает два кубита решёток процессоров через два «L-кубита» с перестраиваемой частотой, два соединителя на сверхпроводящей схеме RF-SQUID и 80 сантиметров сверхпроводящего алюминиевого коаксиального кабеля. Кабель расположен перпендикулярно поверхности процессора, что позволяет делать соединения плотнее, и крепится к чипу индиево-индиевым прессовым соединением, которое выполняют при комнатной температуре, когда оба модуля уже установлены в криостате — холодильнике, где поддерживается низкая температура кубитов. Моды связей лежат около 5 гигагерц, внутренняя добротность — от 0,86 до 1,09 миллиона; эта величина показывает, насколько мало энергии они теряют.

Что показывают цифры

• Передача состояния по связям, измеренная методом сетевого бенчмаркинга, достигла средней точности (fidelity) 99,00 процента. Лучшая линия показала 99,29 ± 0,07 процента.
• Двухкубитные вентили CZ между кубитами на разных чипах работали со средней точностью 94,75 процента, лучшая линия — 96,42 ± 0,28 процента.
• С помощью этих вентилей исследователи создали запутанные состояния между двумя процессорами, в том числе одновременные пары Белла через два соседних L-соединителя.

Точность здесь — доля задуманного квантового состояния, которая дошла без искажений; 100 процентов означали бы идеальную передачу. Запутанность — квантовая связь между частицами, при которой состояние одной нельзя описать без другой.

Ограничения

По сообщению ScienceAlert, кабели теряли очень мало энергии при работе и выдержали три цикла нагрева и охлаждения. Исследователи также заметили магнитные помехи, которые ухудшали качество сигнала, и для практического применения L-соединителей потребуется повысить эффективность. Авторы пишут, что, насколько им известно, это первая демонстрация многоканального квантового соединения между крупными сверхпроводящими процессорами.

IBM заявляла, что рассчитывает выпустить отказоустойчивый квантовый компьютер к 2029 году. Больше материалов о технологиях — в разделе «Технологии».