Модульные квантовые вычисления обретают форму благодаря l-ответвителям

Основные выводы

• Исследователи IBM соединили два процессора IBM Quantum Nighthawk с помощью четырех метровых l-ответвителей.
• В ходе работы была достигнута точность передачи квантовых состояний на уровне 99%, что продемонстрировало надежную передачу квантовой информации между процессорами.
• Новая конструкция межчиповых соединений совместима с процессорами IBM Quantum Nighthawk и может масштабироваться до систем IBM Quantum Starling и более продвинутых.
• Высокоточные l-ответвители служат ключевым строительным блоком для модульных квантовых компьютеров.

Впервые сверхпроводящие квантовые процессоры были соединены с использованием нескольких метровых квантовых каналов со средней точностью передачи квантовых состояний 99%. Это исследование знаменует собой важнейшую веху на пути к масштабированию квантовых компьютеров в эпоху отказоустойчивости.

В предыдущих работах IBM и других исследовательских организаций демонстрировались качественные концептуальные прототипы квантовых операций между соединенными модулями. Однако эти подходы не были легко совместимы с реализацией множественных соединений на базе l-ответвителей между крупными процессорами на сверхпроводящих кубитах. В нашей недавно опубликованной работе представлен новый дизайн межчиповых соединений, совместимых с IBM Quantum Nighthawk и способных масштабироваться до отказоустойчивого компьютера IBM Quantum Starling и последующих систем.

Как квантовые компьютеры будут масштабироваться за пределы одного чипа?

Реализация всего потенциала квантовых вычислений требует перехода к гораздо более крупным квантовым системам, чем существуют сегодня, и этот путь не будет опираться исключительно на создание больших чипов. Вместо этого мы определили, что будущее квантовых вычислений зависит от совместной работы множества процессоров с возможностью перемещения информации между чипами.

Таким образом, модульные квантовые компьютеры состоят из отдельных квантовых процессоров, объединенных метровыми межсоединениями внутри модульных криогенных систем — рефрижераторов растворения, которые масштабируются, но разделяют общую криогенную среду. Для сверхпроводящих квантовых процессоров IBM мы называем эти межсоединения большой дальности l-ответвителями (l-couplers) в отличие от внутричиповых c-ответвителей (c-couplers). Тем временем в начале этого года мы представили нашу новую модульную криогенную платформу для масштабирования квантовых компьютеров, внутри которой будут располагаться эти соединенные процессоры.

Четыре алюминиевых l-ответвителя соединяют полезную нагрузку квантовых процессоров IBM внутри рефрижератора растворения. Кабели проходят между передним и задним узлами полезной нагрузки, обеспечивая передачу квантовой информации между процессорами. (Иллюстрация: IBM)

Что демонстрирует работа с l-ответвителями?

В различных предыдущих публикациях представителей индустрии квантового оборудования демонстрировались разнообразные соединения между различными квантовыми процессорами. Однако эти методы несовместимы с тем, как производятся и собираются крупномасштабные квантовые процессоры. Теперь же мы демонстрируем надежные высококачественные l-соединения, способные передавать квантовую информацию между квантовыми процессорами с низким уровнем ошибок. Это важнейший компонент архитектуры квантовых вычислений, который по-настоящему открывает возможности масштабирования. С соединенными процессорами мы можем запускать более мощные коды коррекции ошибок и более крупные квантовые алгоритмы на большем числе запутанных кубитов.

Научные сотрудники IBM работают с аппаратным обеспечением, используемым для тестирования l-ответвителей между процессорами IBM Quantum Nighthawk. Система включает в себя четыре l-ответвителя и специализированное оборудование, предназначенное для установки l-ответвителей после монтажа модулей процессоров внутри криостата. (Иллюстрация: IBM)

Наши l-ответвители включают в себя все компоненты, необходимые для межмодульной квантовой работы. Сюда входят алюминиевый коаксиальный кабель, соединенный с соответствующими компонентами на чипе, упрощенные «l-кубиты», к которым он подключается, перестраиваемые ответвители, соединяющие l-кубиты с кабелями, а также сопутствующие контроллеры. L-ответвители подключаются после того, как процессоры смонтированы в рефрижераторе растворения.

В этой работе конкретно продемонстрировано соединение двух процессоров IBM Quantum Nighthawk R1 с помощью четырех l-ответвителей, каждый из которых имеет 80-сантиметровый кабель, связывающий два чипа внутри рефрижератора растворения. Хотя в эксперименте для целей разработки была задействована лишь часть кубитов, сами процессорные чипы представляют собой полноценные процессоры Nighthawk.

Мы сообщаем о режимах l-ответвителей с внутренними добротностями 940 000 (где добротность — это безразмерная величина, отражающая способность системы сохранять энергию: чем выше, тем лучше, а добротности порядка 10^6 подходят для передачи сверхпроводящей квантовой информации). Мы зафиксировали точность передачи квантовых состояний до 99,3% при среднем значении 99%. Иными словами, квантовое состояние корректно передается по кабелю в среднем в 99% случаев.

Наконец, мы использовали удаленные вентили CZ, созданные путем передачи состояний между различными модулями, и добились точности двухкубитного вентиля на уровне 94,75% в среднем по четырем линиям связи. Этот удаленный вентиль CZ позволил нам генерировать запутанные состояния, разделенные между двумя модулями, включая демонстрацию одновременного использования двух l-ответвителей для генерации независимых запутанных состояний.

Почему эта статья важна? Или чего позволяет достичь эта работа?

Создание масштабируемого модульного квантового компьютера требует высокоточных линий связи между отдельными процессорными блоками, расположенными внутри одной криогенной ячейки или между соседними криогенными ячейками. Однако эти линии связи должны быть совместимы с масштабированием в сторону множественных подключений, чтобы распространить эту технологию на более крупные коммерческие варианты использования.

Насколько нам известно, это первый случай, когда сверхпроводящие квантовые процессоры были соединены с использованием нескольких квантовых каналов со средней точностью передачи квантовых состояний 99%. Эта работа утверждает наш метод реализации l-ответвителей как жизнеспособный путь продвижения вперед для масштабирования квантовых компьютеров до режима отказоустойчивости.

Что дальше?

Наша дорожная карта предполагает, что квантовые технологии будут масштабироваться ускоренными темпами. Основным фокусом нашего оборудования станет внедрение кодов коррекции ошибок, которые потребуют метровых ответвителей между соседними чипами. Поэтому мы планируем улучшать выход годных изделий и воспроизводимость l-ответвителей, снижать уровень ошибок и масштабировать систему до большего числа l-ответвителей, которые можно легко подключать и отключать между более крупными и сложными процессорами по мере создания связанных чипов Nighthawk и продвижения к системе IBM Quantum Starling.

У нас есть возможности улучшить все показатели, о которых сообщается в нашей недавней статье, и мы понимаем шаги, необходимые для достижения этих улучшений. Мы продолжим научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, интегрируя ответвители в более крупную систему, выполняющую более сложные рабочие нагрузки.

Наш гибкий процесс разработки оборудования и быстрые циклы обучения продолжают приносить критически важные результаты в лаборатории и переносить их в производственные процессы. В целом эта работа продвигает IBM дальше по нашей дорожной карте к масштабируемым, модульным отказоустойчивым квантовым вычислениям.