The Signal
IBM collega due chip da 120 qubit con un trasferimento dello stato al 99%
I ricercatori di IBM collegano due processori Nighthawk R1 da 120 qubit con quattro cavi coassiali superconduttori e riportano una fedeltà media del 99,00% nel trasferimento di stati quantistici. I collegamenti consentono anche gate a dista
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Quattro collegamenti, fedeltà media del 99% nel trasferimento
Quattro collegamenti tra due processori da 120 qubit hanno trasferito stati quantistici con una fedeltà media del 99,00%, secondo un articolo di un gruppo di ricerca di IBM presentato ad arXiv il 21 ottobre. Il collegamento migliore ha raggiunto il 99,29%, con un’incertezza di 0,07 punti percentuali. I risultati provengono da quattro «L-couplers», ciascuno costruito attorno a un cavo coassiale di alluminio superconduttore lungo 80 centimetri che collega due processori IBM Nighthawk R1.
«Qui dimostriamo il funzionamento di quattro L-couplers tra due processori IBM Nighthawk R1 a qubit superconduttori, ciascuno da 120 qubit».
Neereja M. Sundaresan et al., IBM Research
Il dato sul trasferimento non indica la fedeltà di un gate a due qubit sull’intero sistema. Gli autori riportano separatamente una fedeltà media del 94,75% per i gate controlled-Z tra qubit del reticolo su processori diversi, con il collegamento migliore al 96,42%. La distinzione è importante: trasferire uno stato attraverso il cavo è un’operazione; realizzare un gate tra qubit computazionali richiede operazioni aggiuntive a entrambe le estremità.
Come funziona il collegamento di 80 centimetri
Ciascun L-coupler instrada uno stato quantistico da un qubit del reticolo a un L-qubit dedicato, la cui frequenza è regolabile, attraverso il cavo coassiale e poi verso l’altro processore. Due accoppiatori regolabili basati su RF-SQUID controllano la connessione tra gli L-qubit e il cavo. Il cavo corre perpendicolarmente alla superficie del chip ed è fissato mediante una giunzione a pressione indio-indio realizzata a temperatura ambiente dopo l’installazione di entrambi i moduli dei processori nel criostato.
Un supporto su misura dotato di molle installa due connessioni via cavo alla volta. Nei test, i quattro collegamenti assemblati sono rimasti operativi durante tre cicli termici senza che le connessioni venissero toccate. È un risultato pratico per un hardware che deve essere raffreddato, riscaldato e sottoposto a manutenzione, anche se l’articolo precisa che il gruppo non ha verificato se una connessione possa essere scollegata e ricollegata.
La fedeltà del gate rivela il costo aggiuntivo
Per eseguire un gate controlled-Z a distanza, il gruppo combina tre gate controlled-Z locali, due trasferimenti di stato, quattro gate a singolo qubit e una correzione virtuale di fase. L’operazione risultante risente quindi degli errori sia dell’interconnessione sia dei passaggi necessari per utilizzarla. La media misurata dagli autori, pari al 94,75%, riflette l’intera sequenza del gate, non soltanto le prestazioni del cavo nel trasferimento.
Tra i quattro collegamenti, il gate a distanza migliore raggiunge una fedeltà del 96,42%. Per quel gate, il bilancio degli errori del gruppo prevede un limite superiore del 97,34% sulla base di componenti misurati separatamente; gli autori attribuiscono gran parte dello scarto alla popolazione residua rimasta sugli L-qubit dopo un trasferimento di stato incompleto. Aggiungono che, per scelta progettuale, gli L-qubit dedicati e i relativi accoppiatori si trovano all’esterno del reticolo quadrato di Nighthawk, introducendo passaggi di trasferimento e gate locali che un progetto integrato potrebbe eliminare.
L’entanglement si estende oltre un singolo chip
I ricercatori usano i gate a distanza per creare coppie di Bell tra qubit su processori separati, comprese due coppie generate simultaneamente attraverso L-couplers adiacenti. Le coppie restano entangled anche senza mitigazione degli errori di lettura, sebbene le fedeltà misurate varino da un collegamento all’altro. Il gruppo crea inoltre stati GHZ a quattro e sei qubit distribuiti tra i moduli, estendendo le operazioni di entanglement oltre i qubit immediatamente vicini all’interconnessione.
Queste dimostrazioni mostrano qualcosa di più di un cavo che trasporta un singolo stato: più collegamenti possono operare insieme e la connessione può contribuire a distribuire l’entanglement tra moduli di processori. Ma le misurazioni riportate nell’articolo evidenziano anche dei limiti. La fedeltà media dei gate a distanza è inferiore a quella del trasferimento di stato e la configurazione dispone di quattro collegamenti, non del maggior numero di connessioni replicabili che un sistema modulare richiederebbe.
La schermatura resta un problema hardware
Le prestazioni dei cavi coassiali peggiorano quando, raffreddandosi in un campo magnetico, attraversano la transizione superconduttiva dell’alluminio. In test controllati, il fattore di qualità interno mediano del cavo è sceso da 1,5 milioni con campo applicato nullo a 250.000 a 14 gauss: una variazione di un fattore sei. Il gruppo ha constatato che modificare il campo dopo che il cavo era diventato superconduttore non ripristinava le prestazioni perdute.
La schermatura ha migliorato il risultato, ma i ricercatori descrivono la loro treccia a due strati come una misura temporanea. Indicano inoltre la treccia comune attorno a tutti e quattro i cavi come possibile motivo per cui i collegamenti assemblati hanno ottenuto prestazioni inferiori a quelle di un test separato su un cavo schermato. L’articolo lascia aperte due questioni ingegneristiche concrete: se la schermatura dei cavi possa essere resa replicabile all’aumentare del numero di collegamenti e se la connessione in indio possa essere scollegata e ricollegata senza introdurre perdite.