Η IBM ανοίγει τον δρόμο για αρθρωτούς κβαντικούς υπολογιστές πολλών qubits

Σύνοψη

• Ερευνητές της IBM συνέδεσαν δύο κβαντικούς επεξεργαστές Nighthawk των 120-qubit χρησιμοποιώντας τέσσερα υπεραγώγιμα καλώδια L-couplers μήκους 80 εκατοστών.
• Η πειραματική διάταξη πέτυχε μέση ακρίβεια μεταφοράς κβαντικής κατάστασης (fidelity) της τάξης του 99%.
• Καταγράφηκε μέση ακρίβεια 94,75% σε απομακρυσμένες πύλες CZ (controlled-Z), επιτρέποντας τη δημιουργία καταστάσεων διεμπλοκής Bell και GHZ.
• Η νέα αρχιτεκτονική κρίνεται απολύτως απαραίτητη για την ανάπτυξη αρθρωτών (modular) κβαντικών υπολογιστών και αποτελεί δομικό στοιχείο για το μελλοντικό σύστημα IBM Quantum Starling.

Η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών αντιμετωπίζει ιστορικά ένα θεμελιώδες φυσικό όριο το οποίο αφορά την κλιμάκωση (scaling) των υπολογιστικών μονάδων σε πρακτικό επίπεδο. Καθώς η βιομηχανία προσπαθεί να κατασκευάσει μηχανήματα ικανά να εκτελέσουν εκατομμύρια πράξεις χωρίς σφάλματα, ο συνωστισμός χιλιάδων qubits πάνω σε ένα ενιαίο chip πυριτίου δημιουργεί δυσεπίλυτα προβλήματα απαγωγής θερμότητας, περιορισμών στην καλωδίωση και επικίνδυνων παρεμβολών μέσα στα συστήματα υπέρψυξης.

Ανταποκρινόμενη σε αυτή τη μηχανολογική πρόκληση, η IBM δημοσίευσε μια επιστημονική μελέτη (διαθέσιμη ως preprint) που περιγράφει λεπτομερώς τη σύνδεση δύο εντελώς ξεχωριστών κβαντικών επεξεργαστών χρησιμοποιώντας ειδικά σχεδιασμένα υπεραγώγιμα καλώδια. Το ερευνητικό επίτευγμα δεν αποτελεί απλώς μια δοκιμή σε εργαστηριακό περιβάλλον, αλλά έναν ολοκληρωμένο οδικό χάρτη για τη δημιουργία αρθρωτών (modular) κβαντικών υπολογιστών οι οποίοι θα συνδέονται αξιόπιστα μεταξύ τους. Ο απώτερος στόχος είναι η επίτευξη υπολογιστικής κλίμακας ανεκτικής σε σφάλματα (fault-tolerant), ανοίγοντας τον δρόμο για τη μετάβαση από το Nighthawk στο μελλοντικό οικοσύστημα IBM Quantum Starling.

Πιο αναλυτικά, η IBM συνέδεσε επιτυχώς δύο κβαντικούς επεξεργαστές Nighthawk 120-qubit χρησιμοποιώντας τέσσερα υπεραγώγιμα καλώδια αλουμινίου (L-couplers) μήκους 80 εκατοστών. Η πειραματική διάταξη κατέγραψε μέση ακρίβεια μεταφοράς κβαντικής κατάστασης 99% και fidelity 94,75% στις απομακρυσμένες πύλες CZ, θέτοντας τα θεμέλια για το επερχόμενο αρθρωτό κβαντικό σύστημα Quantum Starling.

Η κατασκευή ολοένα και μεγαλύτερων μονολιθικών επεξεργαστών παρουσιάζει θεωρητικά, αλλά και πρακτικά, όρια τα οποία σχετίζονται άμεσα με τη διατήρηση των θερμοκρασιών κοντά στο απόλυτο μηδέν και την παρεμβολή εξωτερικού θορύβου στα εξαιρετικά ευαίσθητα μικροκυματικά σήματα ελέγχου. Οι ερευνητές της IBM στράφηκαν στην ανάπτυξη υπεραγώγιμων καλωδίων αλουμινίου, τα οποία τοποθετούνται μέσα στον κρυοστάτη αφού πρώτα στερεωθούν τα υπολογιστικά στοιχεία.

Τα καλώδια αυτά φτάνουν σε μήκος τα 80 εκατοστά και χαρακτηρίζονται από ένα ελεύθερο φασματικό εύρος της τάξης των 150 MHz. Η απομόνωση ενός μόνο στάσιμου κύματος στην περιοχή των 5 GHz επιτρέπει τη μεταφορά των δεδομένων από τον έναν επεξεργαστή στον άλλον χρησιμοποιώντας μια ειδική κατηγορία βοηθητικών qubits (αναφέρονται ως L-qubits). Αντίστοιχες λύσεις αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της αρθρωτής αρχιτεκτονικής, ξεπερνώντας οριστικά το όριο των φυσικών συνδέσεων που επιβάλλει ο περιορισμένος όγκος στο εσωτερικό των συμβατικών συστημάτων ψύξης.

Η ορθή εκτίμηση της απόδοσης ενός διασυνδεδεμένου συστήματος απαιτεί τον αυστηρό διαχωρισμό ανάμεσα στην απλή μεταφορά της κβαντικής πληροφορίας και την εκτέλεση πολύπλοκων λογικών πράξεων που εμπλέκουν qubits διαφορετικών επεξεργαστών. Η ερευνητική ομάδα ανακοίνωσε μέση πιστότητα (fidelity) μεταφοράς κβαντικής κατάστασης στο 99,00%, ενώ η καλύτερη ανεξάρτητη σύνδεση άγγιξε το 99,29%. Ο δείκτης αυτός αφορά αποκλειστικά τη μετακίνηση της πληροφορίας από το ένα L-qubit στο άλλο μέσω του υπεραγώγιμου καλωδίου.

Παράλληλα, η εκτέλεση μιας απομακρυσμένης πύλης CZ (controlled-Z), η οποία συνιστά μια πιο σύνθετη διαδικασία που προϋποθέτει τη συνεργασία πολλαπλών τοπικών πυλών και μεταφορών,κατέγραψε μέση ακρίβεια 94,75%, με το υψηλότερο ποσοστό να εντοπίζεται στο 96,42%. Η απόκλιση ανάμεσα στις δύο μετρήσεις οφείλεται κυρίως στη χρήση των βοηθητικών qubits, καθώς οι δύο μεταφορές κατάστασης ευθύνονται για το 53% του συνολικού σφάλματος και οι τρεις τοπικές πύλες CZ για το 40% του συνολικού error budget.

Αξιοποιώντας την αξιοπιστία των απομακρυσμένων πυλών CZ, οι μηχανικοί προχώρησαν στη δημιουργία καταστάσεων διεμπλοκής ανάμεσα σε υπολογιστικούς κόμβους που βρίσκονταν φυσικά σε διαφορετικά modules. Η παραγωγή ζευγών Bell πέτυχε αρχική πιστότητα 85,91% (η οποία βελτιώνεται στο 93,94% με τη χρήση τεχνικών μετριασμού σφαλμάτων), ενώ οι καταστάσεις GHZ τεσσάρων και έξι qubits άγγιξαν αντίστοιχα το 77,23% (91,70% μετά τον μετριασμό).

Η αυστηρή ανάλυση του προϋπολογισμού σφαλμάτων αποκαλύπτει πως η αρχιτεκτονική επιλογή των ενδιάμεσων L-qubits επιταχύνει τον κύκλο ανάπτυξης του πρωτοτύπου, ωστόσο εισάγει απώλειες συνοχής (dephasing) που ευθύνονται για το 56% έως 76% του μοντελοποιημένου σφάλματος μεταφοράς. Οι μηχανικοί προβλέπουν πως η άμεση ενσωμάτωση των κόμβων διασύνδεσης στα βασικά lattice qubits θα εξαλείψει πλήρως την ανάγκη για τις ενδιάμεσες πύλες μεταφοράς, ρίχνοντας μελλοντικά τα ποσοστά σφάλματος κάτω από το όριο του 10^-3 και ανεβάζοντας την ακρίβεια των απομακρυσμένων πυλών CZ πάνω από το φράγμα του 99%.

Η πρακτική βιωσιμότητα οποιουδήποτε αρθρωτού κβαντικού συστήματος εξαρτάται άμεσα από την ανθεκτικότητα του στις ακραίες μηχανικές και θερμικές καταπονήσεις. Οι επιστήμονες εστιάζουν στο γεγονός ότι και οι τέσσερις συνδέσεις L-coupler παρέμειναν πλήρως λειτουργικές ύστερα από τρεις ολοκληρωμένους κύκλους δραστικής μεταβολής της θερμοκρασίας, χωρίς να απαιτηθεί καμία απολύτως φυσική παρέμβαση ή επαναρύθμιση. 

Η σταθερότητα που παρατηρήθηκε αποτελεί κρίσιμη παράμετρο για την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας, διότι ένας υπολογιστής μεγάλης κλίμακας οφείλει να ψύχεται, να θερμαίνεται και να συντηρείται επανειλημμένα καθ' όλη τη διάρκεια της ωφέλιμης ζωής του.