דיוק של 99%: כך חיברה IBM שני שבבים קוונטיים בכבל של 80 סנטימטר

צוות של IBM Research במרכז המחקר על שם טי. ג׳יי. ווטסון ביורקטאון הייטס פרסם פרפרינט שמתאר חיבור מודולרי בין שני מעבדים קוונטיים גדולים. שני השבבים הם מעבדי Nighthawk R1 עם 120 קיוביטים כל אחד, וביניהם פועלים ארבעה מחברי L ארוכים. לפי המאמר, העברת מצב קוונטי דרך הרשת הגיעה לנאמנות ממוצעת של 99.00%, והקישור הטוב ביותר הגיע ל-99.29% עם סטייה של כ-0.07 נקודת אחוז. זה צעד מעשי בדרך למחשב קוונטי שמורכב ממודולים נפרדים, במקום לנסות לדחוס הכול על פרוסת סיליקון אחת.

המחקר, שכותרתו "Meter-scale quantum interconnects between large quantum processors", מופיע ב-arXiv כפרפרינט שטרם עבר ביקורת עמיתים. המחברת הראשונה היא ניריג'ה מ. סונדרסאן, ולצידה עשרות חוקרים מ-IBM Research. כל מחבר L מחבר שני קיוביטים בסריג של Nighthawk דרך שני קיוביטי L בעלי תדר מתכוונן, שני מחברי i2m מבוססי RF-SQUID, וכבל קואקסיאלי מאלומיניום מוליך-על באורך 80 סנטימטר. הכבל מותקן בניצב למשטח המעבד, כדי לאפשר צפיפות חיבורים גבוהה יותר, והחיבור לשבב נעשה בהלחמת לחץ אינדיום-לאינדיום בטמפרטורת החדר אחרי ששני המודולים כבר הורכבו.

מה המספרים אומרים, ומה עדיין חסר

מעבר להעברת המצב, החוקרים מימשו שערי CZ מרחוק בין קיוביטי סריג בשני מודולים נפרדים. הנאמנות הממוצעת של השערים האלה עמדה על 94.75%, והקישור הטוב ביותר הגיע ל-96.42% עם סטייה של כ-0.28 נקודת אחוז. בעזרת השערים הם יצרו מצבים שזורים בין שני המעבדים, כולל הפקה סימולטנית של זוגות בל בשני מחברי L סמוכים. מצבי התהודה של מחברי ה-L היו סביב 5 ג'יגה-הרץ, עם מקדמי איכות פנימיים בטווח של כ-0.86 עד 1.09 מיליון. המספרים האלה מראים שהקישור שומר על קוהרנטיות במרחק של כמעט מטר, ועדיין רחוקים מספי דיוק לתיקון שגיאות מלא בקנה מידה גדול.

הארכיטקטורה המודולרית מנסה לפתור בעיה מוכרת: מעבד בודד נתקל בתקרת ייצור, באספקת אותות ובקירור ככל שמוסיפים קיוביטים. מחבר L ארוך מאפשר לתפור מודולים נפרדים למערכת אחת בלי לוותר על פעולה קוהרנטית. לפי המאמר, ארבעת הקישורים פועלים במקביל בין אותם שני מעבדים, כלומר לא מדובר בהדגמה של כבל יחיד אלא בערוץ רב-ערוצי שמתאים להרחבה.

בבלוג של IBM Quantum החברה מציבה את מחברי ה-L בהקשר רחב יותר: קישור בתוך אותה מקררת דילול, בסקלת מטר, כחלק מהדרך למחשב עמיד לתקלות. לפי מפת הדרכים שלה, היעד הקרוב הוא מערכת שמסוגלת להריץ מעגלים גדולים בהרבה, והיעד המוצהר למחשוב קוונטי עמיד לתקלות מכוון ל-2029 תחת השם Starling. קישורי מטר הם חוליה שמאפשרת לחבר מודולים בלי להגדיל בלי גבול את גודל השבב הבודד, כלומר לעקוף מגבלות ייצור, תפוקה והעברת אותות.

להתקדמות בחומרה יש גם צד תוכנה ועסקי. IBM מציעה את סביבת הפיתוח Qiskit, ומתחרה בשכבת התוכנה עם חברות כמו קלאסיק הישראלית, שנרכשת על ידי אינטל. להרחבה: אינטל קונה את קלאסיק ב-2.2 מיליארד דולר: האם ישראל הופכת למרכז קוונטי. במקביל השוק ממשיך לתמחר מניות קוונטיות לפי הבטחה עתידית יותר מאשר לפי הכנסות בשלות. להרחבה: מניות הקוונטים מתמחרות עתיד של טריליון דולר - אבל עדיין אין הוכחה שהלקוחות צריכים אותו

גם במדור המדע כבר הופיעו צעדים מקבילים בהפחתת שגיאות. להרחבה: 92% לפח, 8% כמעט מושלמים: כך גוגל הורידה פי 40 שגיאות במחשב קוונטי. החיבור של IBM מוסיף זווית אחרת: פחות תיקון שגיאות בתוך שבב בודד, ויותר יכולת לתפור כמה שבבים למכונה אחת. הפרפרינט עדיין דורש ביקורת עמיתים, והנאמנות של שערי ה-CZ המרוחקים נמוכה מזו של העברת המצב, אבל ארבעה קישורי מטר בין שני מעבדים בני 120 קיוביטים הם אבן דרך ברורה בארכיטקטורה המודולרית.