Команда дослідників IBM продемонструвала новий спосіб з’єднання квантових процесорів, який може допомогти масштабувати квантові комп’ютери. У межах експерименту науковці поєднали два чипи по 120 кубітів за допомогою чотирьох надпровідних з’єднань і досягли середньої точності передавання квантових станів на рівні 99%. Найкращий результат становив 99,29%. Розробка має значення для створення модульних квантових систем, у яких обчислювальні потужності збільшуватимуть завдяки об’єднанню кількох процесорів, а не лише додаванню кубітів на один чип. Водночас дослідження поки що не пройшло незалежного рецензування. Як працюють нові з’єднання Основою квантових комп’ютерів є кубіти — елементи, які, на відміну від класичних бітів, можуть перебувати в квантовій суперпозиції станів. Завдяки цьому квантові системи здатні виконувати певні обчислювальні завдання принципово інакше, ніж звичайні комп’ютери. Однак зі збільшенням кількості кубітів виникає проблема: потрібно передавати квантову інформацію між різними частинами системи, не руйнуючи її крихких квантових властивостей. Для цього дослідники випробували так звані з’єднувачі великої відстані — L-couplers. У новому експерименті вони використали чотири з’єднання завдовжки приблизно 80 сантиметрів, виготовлені з надпровідного алюмінію. Через них передавали квантові стани між двома процесорами, кожен із яких містив 120 кубітів. Науковці також встановили, що з’єднання втрачали мало енергії під час роботи, залишалися працездатними після трьох циклів нагрівання й охолодження та забезпечували передавання квантової заплутаності між чипами. Навіщо квантовим комп’ютерам модульна архітектура Замість того щоб розміщувати дедалі більше кубітів на одному мікрочипі, IBM розвиває підхід, за якого кілька процесорів об’єднуються в єдину систему. Така архітектура може полегшити масштабування квантових машин, але потребує надійних каналів зв’язку між модулями. Розроблені з’єднання планують використовувати всередині кріогенних установок — спеціальних систем охолодження, які підтримують наднизькі температури, необхідні для роботи надпровідних кубітів. У перспективі IBM прагне об’єднувати сотні квантових чипів у таких установках. Компанія також поставила за мету створити перший відмовостійкий квантовий комп’ютер до 2029 року. Проте це план, а не гарантований термін: для його реалізації потрібні подальші технологічні вдосконалення. Які проблеми ще залишаються Попри високі показники точності, технологія потребує доопрацювання. Дослідники зафіксували магнітні перешкоди, що впливали на якість сигналу. Також необхідно підвищити ефективність з’єднань, перш ніж їх можна буде повноцінно застосовувати в масштабних квантових системах. Результати свідчать, що передавання квантової інформації між великими процесорами через кілька каналів може стати практичною основою для модульних квантових комп’ютерів. Однак для створення стабільних машин, здатних виправляти помилки й виконувати складні обчислення в масштабі, ще потрібно розв’язати низку інженерних і наукових завдань. Препринт дослідження опубліковано на платформі arXiv. На момент публікації матеріал ще не пройшов незалежного рецензування.

Прототипи квантових комп'ютерів вже існують, але для того, щоб реалізувати їх повний потенціал, їх потрібно значно масштабувати та стабілізувати. Команда дослідників з IBM оголосила про важливий крок у цьому напрямку.Оновлення стосується довгомірних з'єднувачів (L-couplers), які з'єднують кубіти. Кубіти є основою квантових комп'ютерів, і на відміну від звичайних бітів, які лежать в основі класичних обчислень, вони не обмежені двійковим станом 1 або 0.Масштабування квантових комп'ютерів шляхом з'єднання кількох чіпів за допомогою L-couplers є більш практичним, ніж намагання втиснути ще більше кубітів на одному мікрочіпі.Але з'єднувачі повинні бути здатні передавати крихку квантову інформацію на дуже великі відстані в квантових термінах – 80 сантиметрів у цьому випадку.Дослідники з'єднали два 120-кубітні чіпи разом з чотирма L-couplers, виготовленими з надпровідного алюмінію, досягнувши середньої точності передачі 99 відсотків, з піком у 99,29 відсотка.Це важливий тест для такого роду багатоканальної установки, оскільки великі квантові чіпи наразі здатні передавати дані через кілька маршрутів."У найближчі роки квантові комп'ютери значно масштабуються як за складністю процесора, так і за кількістю модулів", - пишуть дослідники у своїй статті."Такі машини потребуватимуть багатьох номінально ідентичних з'єднань між модулями. Ми демонструємо практичний шлях до реалізації кількох L-couplers між великими кубітними процесорами після монтажу модулів у кріостаті".Якщо класичні біти можуть бути як орли або решки монети (1 або 0), то кубіти можуть бути орлом, решкою або все ще обертатися між двома, поки їх не виміряють, що призводить до експоненційного збільшення обчислювальної потужності.Те, що L-couplers передають тут, - це квантові стани кубітів або їх обертові властивості.Команда також спостерігала, що їхні кабелі втрачали дуже мало енергії під час використання, залишалися працездатними через три цикли нагрівання та охолодження і також могли передавати заплутаність між двома чіпами."На нашу думку, це перша демонстрація багатоканального квантового з'єднання між великими надпровідними процесорами, і це встановлює технологію комбінованих L-couplers як життєздатний будівельний блок для масштабування модульних систем", - пишуть дослідники.IBM активно впроваджує модульний підхід до квантових обчислень. Кубіти та L-couplers, продемонстровані тут, призначені для встановлення всередині кріогенних систем, які компанія представила в серпні.Ці одиниці можуть підтримувати кубіти при ультра-холодних температурах, необхідних для квантових обчислень, і тепер ми маємо набагато краще уявлення про те, як їхня внутрішня електронна система працюватиме на практиці.Кінцева мета полягає в тому, щоб з'єднати сотні квантових чіпів разом у цих кріогенних одиницях – охолоджених до температур, які в 180 разів холодніші, ніж у глибокому космосі – і з цього моменту доставити перший у світі квантовий комп'ютер з виправленням помилок до 2029 року."Успішне з'єднання та робота цих кріогенних модулів сигналізує про стрибок вперед у цьому напрямку і прискорить наш прогрес поряд із продовженням інновацій у квантовому апаратному забезпеченні, програмному забезпеченні та алгоритмах", - говорить Джей Гамбетта, директор IBM Research, який не брав безпосередньої участі в дослідженні.Це крок у правильному напрямку для цих систем квантових обчислень, хоча ще багато роботи попереду. Дослідники помітили магнітні перешкоди, які вплинули на якість сигналу; наприклад, і подальші покращення ефективності будуть необхідні, перш ніж ці L-couplers будуть готові до використання."Ці чотири високоякісні L-couplers встановлюють практичний шлях до масштабованих квантових з'єднань для модульних квантових обчислень", - пишуть дослідники.Дослідження ще не пройшло рецензування, але попередня версія доступна на arXiv.Цікавий фактКвантові комп'ютери можуть виконувати обчислення, які традиційні комп'ютери не можуть виконати за розумний час, завдяки своїй здатності обробляти величезні обсяги даних одночасно.