IBM продемонстрировала новый способ соединения двух квантовых процессоров с помощью четырёх сверхпроводящих алюминиевых кабелей длиной 80 см. Эксперимент с процессорами Nighthawk, каждый из которых содержит 120 кубитов, показал, что квантовую информацию можно передавать между крупными чипами и выполнять операции с кубитами, расположенными на разных процессорах. Это важный шаг к модульным квантовым компьютерам, в которых несколько чипов работают совместно, однако до создания масштабируемой отказоустойчивой системы предстоит решить ряд технических задач.
«Это важная веха», — отмечает Эндрю Клеланд, физик из Чикагского университета, не участвовавший в исследовании. По его словам, принципиальное достижение заключается в том, что IBM удалось соединить два процессора кабелями метрового масштаба, сохранив возможность выполнения квантовых операций.
Зачем квантовым компьютерам несколько чипов
Кубиты в процессорах IBM представляют собой сверхпроводящие электрические цепи, работающие при температурах, близких к абсолютному нулю. Их квантовые состояния соответствуют базисным значениям 0 и 1, но, в отличие от классических битов, кубиты могут находиться и в суперпозиции этих состояний. Квантовые алгоритмы используют суперпозицию, интерференцию и запутанность, чтобы решать определённые задачи потенциально эффективнее классических компьютеров.
Однако увеличение количества кубитов на одном чипе сопряжено с серьёзными инженерными ограничениями. Сверхпроводящие кубиты чувствительны к окружающей среде, а усложнение схемы управления и взаимных соединений затрудняет сохранение их квантовых состояний. Простое увеличение плотности размещения элементов не решает проблему: необходимо одновременно контролировать потери энергии, шум и ошибки квантовых операций.
Дополнительную сложность создаёт коррекция ошибок. Для построения отказоустойчивого квантового компьютера физические кубиты потребуется объединять в системы, способные обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие при вычислениях. На это могут уходить сотни или тысячи физических кубитов на один логический — в зависимости от архитектуры и требуемой надёжности.
Поэтому один из перспективных путей масштабирования — модульная архитектура. Вместо создания единственного огромного чипа разработчики объединяют несколько процессоров, каждый из которых выполняет часть вычислений. Но для полноценной совместной работы модулей необходимо передавать между ними квантовую информацию с высокой точностью и выполнять межчиповые операции, не разрушая квантовые состояния.
Четыре кабеля и разъёмы с индиевым контактом
В эксперименте IBM использовала два процессора Nighthawk R1 с 120 кубитами каждый. Чипы установили в один криостат — холодильную систему, поддерживающую температуру, необходимую для работы сверхпроводящих цепей. Между процессорами проложили четыре сверхпроводящих коаксиальных кабеля из алюминия длиной по 80 см. В IBM такие межчиповые соединения называют L-couplers.
Конструкция решает не только задачу передачи сигналов, но и проблему сборки крупной системы. В более ранних экспериментах соединения было сложнее устанавливать: требовались жёсткие коаксиальные линии и аккуратный монтаж кабелей у края чипа. Новая схема позволяет подключать кабели уже после установки процессорных модулей в криостат.
Каждый кабель расположен перпендикулярно плоскости чипа. Это облегчает размещение нескольких соединений между процессорами и создаёт предпосылки для дальнейшего увеличения их количества.
Контакт с чипом формируется с помощью пружинного разъёма. При его затягивании небольшой участок индия — мягкого металла, обладающего сверхпроводящими свойствами при достаточно низкой температуре, — сжимается между элементами соединения. В результате создаётся электрический контакт без необходимости выполнять сложную пайку непосредственно на процессоре.
«Это больше похоже на разъём, который просто подключаешь», — поясняет Оливер Дайал, физик IBM, участвовавший в работе.
Передача квантовой информации и запутанность
Работа кабелей основана на использовании микроволновых резонансных мод. Подобно тому как полая труба имеет характерные резонансные частоты, коаксиальный кабель поддерживает определённые электромагнитные моды. Исследователи выбирают подходящий режим и настраивают частоты связанных с кабелем элементов так, чтобы обеспечить передачу квантового состояния между процессорами.
В эксперименте средняя точность передачи квантового состояния составила 99%, а на лучшем соединении достигла 99,29%. Этот показатель характеризует сохранение передаваемого состояния и не означает, что любая квантовая операция между чипами выполняется с точностью 99%.
Исследователи также продемонстрировали двухкубитные операции CZ между кубитами, расположенными на разных процессорах. Средняя точность таких операций составила 94,75%, а на лучшем соединении — 96,42%.
Эти операции позволили создавать запутанные состояния, в которых квантовые состояния кубитов двух процессоров оказываются взаимосвязанными. Кроме того, учёные продемонстрировали одновременное формирование двух независимых запутанных пар с использованием двух соседних межчиповых соединений.
Именно возможность выполнять операции между удалёнными кубитами принципиально важна для модульных квантовых вычислений. Простая передача информации между чипами ещё не делает их единым вычислительным устройством: архитектура должна поддерживать взаимодействие кубитов, необходимое для выполнения квантовых алгоритмов и коррекции ошибок.
Почему масштабирование пока не решено
Исследование IBM развивает предыдущие работы по созданию межчиповых квантовых соединений. В частности, эксперименты других научных групп показали, что алюминиевые кабели могут обеспечивать хорошие характеристики передачи квантовых сигналов, а правильный выбор резонансного режима позволяет ограничить потери энергии в соединении.
Однако интеграция нескольких компонентов в единую систему остаётся самостоятельной инженерной задачей. Важен не только результат для одного кабеля, но и то, как ведут себя многочисленные соединения при одновременной работе. В эксперименте IBM исследователи обнаружили, что использование четырёх кабелей сопровождается снижением производительности в некоторых режимах.
Саймон Шторц, квантовый физик компании QuantWare, отмечает, что точность межчиповых операций пока недостаточна для того, чтобы несколько процессоров можно было объединить в один большой квантовый компьютер без существенных ограничений. При этом он называет работу IBM впечатляющим шагом вперёд, а не окончательным решением проблемы.
Есть и ещё одно ограничение: в описанном эксперименте оба процессора находились в одном холодильнике. Следующий уровень сложности — соединение процессоров, размещённых в разных криогенных системах. Для этого потребуется решить дополнительные задачи передачи сигналов, обеспечения стабильности и интеграции управляющей инфраструктуры.
IBM рассматривает L-couplers как один из элементов своей долгосрочной стратегии создания модульных отказоустойчивых квантовых компьютеров. В перспективе такие соединения должны позволить объединять несколько процессоров и масштабировать вычислительную систему без необходимости размещать все кубиты на одном чипе.
Но главное испытание ещё впереди. Увеличение числа соединений само по себе не гарантирует пропорционального роста вычислительных возможностей: ошибки передачи и межчиповых операций накапливаются, а управление большой системой становится сложнее.
Станут ли сверхпроводящие кабели основой для квантовых компьютеров с тысячами кубитов — или накопление ошибок при взаимодействии модулей окажется более серьёзным препятствием, чем увеличение числа кубитов на отдельных чипах?
Источник: https://www.science.org/content/article/ibm-links-two-quantum-chips-key-step-toward-bigger-computers...Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
