IBM verbindet zwei Nighthawk-Quantenprozessoren über vier L-Coupler mit 99 Prozent Fidelität

Warum Quantencomputer über den einzelnen Chip hinausdenken müssen

Die Skalierung des Quantencomputings auf deutlich größere Systeme als heute werde nicht allein vom Bau größerer Chips abhängen, sagt IBM. Stattdessen, so das Unternehmen, liege die Zukunft in vielen Prozessoren, die zusammenarbeiten und zwischen denen Informationen ausgetauscht werden.

Nach Darstellung von IBM bestehen modulare Quantencomputer aus einzelnen Quantenprozessoren, die innerhalb modularer Kryotechnik durch meterlange Verbindungen gekoppelt sind. Gemeint sind Verdünnungskryostaten, die sich skalieren lassen, aber eine gemeinsame Kryoumgebung nutzen. Für seine supraleitenden Prozessoren nennt IBM diese Langstreckenverbindungen L-Coupler, im Unterschied zu den C-Couplern auf dem Chip. Anfang des Jahres stellte das Unternehmen zudem eine neue modulare Kryoplattform vor, in der solche verbundenen Prozessoren untergebracht werden sollen.

IBM verweist darauf, dass frühere Arbeiten, sowohl eigene als auch die anderer Gruppen, hochwertige Machbarkeitsnachweise für Quantenoperationen zwischen verbundenen Modulen geliefert hätten. Laut dem Unternehmen lassen sich diese Ansätze jedoch nicht ohne Weiteres für mehrere L-Coupler-Verbindungen zwischen großen supraleitenden Qubit-Prozessoren einsetzen.

Was das Experiment erreicht hat

In der neuen Arbeit werden zwei IBM Quantum Nighthawk R1 Prozessoren über vier L-Coupler verbunden. Jeder nutzt ein 80 Zentimeter langes Koaxialkabel aus Aluminium. Zu jedem L-Coupler gehören das Kabel, die vereinfachten „L-Qubits“, mit denen er verbunden ist, die abstimmbaren Koppler zwischen den L-Qubits und den Kabeln sowie zugehörige Steuerungen. Die L-Coupler werden angeschlossen, nachdem die Prozessoren im Verdünnungskryostaten montiert sind.

Laut IBM wurde im Experiment zu Entwicklungszwecken nur eine Teilmenge der Qubits verkabelt, auch wenn es sich bei den Chips selbst um vollständige Nighthawk-Prozessoren handelt. Zu den berichteten Ergebnissen zählen:

• L-Coupler-Moden mit internen Gütefaktoren von 940.000, in einem Bereich, den IBM als geeignet für die Übertragung supraleitender Quanteninformation beschreibt;
• Fidelitäten beim Quantenzustandstransfer von bis zu 99,3 Prozent, im Mittel 99 Prozent;
• eine Zwei-Qubit-Gatter-Fidelität von 94,75 Prozent, gemittelt über die vier Verbindungen, für entfernte CZ-Gatter, die durch den Transfer von Zuständen zwischen den Modulen realisiert werden.

Das entfernte CZ-Gatter ermöglichte es dem Team, verschränkte Zustände zu erzeugen, die sich über beide Module erstrecken. IBM zeigte außerdem, dass sich zwei L-Coupler gleichzeitig nutzen lassen, um unabhängige verschränkte Zustände zu erzeugen.

Wie es weitergeht und warum das wichtig ist

Laut IBM ist das Design mit Nighthawk kompatibel und lässt sich bis zum fehlertoleranten Computer IBM Quantum Starling und darüber hinaus skalieren. Verbundene Prozessoren ermöglichten es, leistungsfähigere Fehlerkorrekturcodes und größere Quantenalgorithmen über eine höhere Zahl verschränkter Qubits auszuführen, so das Unternehmen.

Die Fehlerkorrektur ist ein zentraler Schwerpunkt der IBM-Hardware, und dafür braucht es nach Angaben des Unternehmens meterlange Koppler zwischen benachbarten Chips. Zu den nächsten Schritten zählen eine bessere Ausbeute und Reproduzierbarkeit der L-Coupler, geringere Fehlerraten und die Skalierung auf mehr L-Coupler, die sich zwischen größeren und komplexeren Prozessoren ein- und ausstecken lassen. IBM sagt, bei allen Kennzahlen aus der Veröffentlichung gebe es noch Verbesserungspotenzial, und man kenne die dafür nötigen Schritte.

Die Zwei-Qubit-Gatter-Fidelität zwischen den Modulen liegt mit 94,75 Prozent unter dem Wert für den Zustandstransfer, was zu IBMs eigener Aussage passt, dass weitere Arbeit nötig ist. Vorerst ist das Ergebnis eine Laborvorführung und kein Produkt. IBM kündigt an, Forschung und Entwicklung fortzusetzen und die Koppler in ein größeres System zu integrieren, das anspruchsvollere Workloads ausführt. Das ist Teil der Roadmap hin zu modularem, fehlertolerantem Quantencomputing.