Компания IBM сделала большой шаг вперед в области квантовых вычислений, разработав систему, способную соединить два квантовых процессора — через обычную систему связи в реальном времени. Два процессора работают как единое целое, используя динамические схемы для снижения частоты ошибок, что обеспечивает значительное увеличение вычислительной мощности и масштабируемости.
Квантовые вычислительные блоки (QPU), или квантовые процессоры, — это центральные элементы квантовых компьютеров, позволяющие манипулировать квантовыми битами (кубитами). Они сравнимы с центральным процессором (CPU) в обычных компьютерах.
Однако для обработки кубитов в QPU используются квантовые логические ворота. Эти ворота представляют собой элементарные квантовые схемы, работающие с небольшим количеством кубитов, скорее как кирпичики или модули, составляющие квантовую схему в целом. Однако разработка QPU сталкивается с серьезными техническими проблемами, и не в последнюю очередь с ростом числа ошибок по мере увеличения размеров систем. Поэтому процессоры должны поддерживать стабильность кубитов, полагаясь при этом на надежные системы коррекции ошибок.
Кроме того, большинство крупномасштабных архитектур манипулируют физическими кубитами в рамках планарных массивов — плоских поверхностей без пересечений, что ограничивает связность кубитов.
«Полезность квантовых компьютеров зависит от дальнейшего масштабирования и преодоления их ограниченной связности кубитов. Модульный подход имеет решающее значение для масштабирования нынешних шумных квантовых процессоров до большого количества физических кубитов, необходимых для обеспечения отказоустойчивости», — объясняют исследователи IBM в своем недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature.
Предполагается, что квантовые компьютеры с захваченными ионами и нейтральными атомами могут предложить хороший уровень модульности для эффективной транспортировки кубитов. Микроволновые квантовые ворота дальнего радиуса действия также могут обеспечить связь для непланарных кубитов с эффективной коррекцией ошибок, используя обычные кабельные системы. С другой стороны, команда IBM предлагает динамические схемы, обеспечивающие модульность путем соединения двух QPU с помощью обычной системы связи.
«Многие приложения для квантовых вычислений требуют более высокой связности, чем планарная сеть, предлагаемая аппаратным обеспечением на большем количестве кубитов, чем доступно на одном QPU», — говорят они.
Система, разработанная исследователями, включает в себя встроенное устройство подавления ошибок и устройство для индуцирования квантовых состояний, требующих периодической связи, с использованием до 142 кубитов, распределенных по двум QPU. Это QPU Eagle, разработанные IBM, каждый из которых способен обрабатывать до 127 кубитов. Эти устройства основаны на архитектуре сверхпроводящих передающих кубитов, которые обычно работают на частотах в несколько миллиардов герц. Спроектированные таким образом, чтобы быть менее чувствительными к шуму, они работают как ангармонические осцилляторы, причем ангармоничность вносится устройством, генерирующим необходимые квантовые эффекты.
В процессорах Eagle QPU также используется система передачи данных третьего поколения. Процессоры IBM первого поколения состояли из одного слоя металла, под которым располагались пластина с кубитами и печатная плата.
Второе поколение состоит из двух отдельных микросхем, каждая из которых имеет узорчатый слой металла, соединенных пластиной кубита, примыкающей к распорной пластине. Третье поколение включает в себя пластину кубита, связанную с прослойкой с многослойной проводкой. Сигналы управления и считывания проходят через этот дополнительный слой, изоляция которого позволяет передавать сигналы глубоко в большие QPU. Два QPU в новом исследовании соединены в реальном времени обычной связью. Квантовыми затворами можно управлять классически в рамках динамической схемы, используя состояния измерений в середине схемы во время выполнения задачи.
«Наша классическая связь в реальном времени позволяет нам применять квантовые ворота на одном QPU в зависимости от результата измерения на другом QPU», — отмечают исследователи. Схематическое изображение системы IBM с двумя соединенными QPU. Это будет первая экспериментальная демонстрация гармоничной и взаимодополняющей работы двух квантовых процессоров.
«Наша работа показывает, что мы можем использовать несколько квантовых процессоров как один с динамическими схемами подавления ошибок, активируемыми классическим каналом связи в реальном времени», — говорит команда. С другой стороны, система устранения ошибок в реальном времени улучшает связность кубитов, тем самым открывая путь к значительно более эффективным и универсальным квантовым компьютерам.
Схематическое изображение системы IBM с двумя соединенными QPU.
