AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
IBM koppelt twee grote kwantumchips met supergeleidende kabels tot één machine
Onderzoekers van IBM Research hebben voor het eerst twee grote kwantumprocessoren via vier supergeleidende kabels met elkaar verbonden, terwijl de chips al in hun koelkast zaten. De verbinding bleek opvallend betrouwbaar en overleefde meerdere keren opwarmen en afkoelen. Het is een belangrijke stap richting kwantumcomputers die uit meerdere samenwerkende onderdelen bestaan.
Kwantumcomputers worden steeds groter en ambitieuzer, maar één enkele chip blijft lastig te laten groeien. Veel onderzoekers denken daarom dat de toekomst ligt in modulaire systemen: meerdere kleinere processoren die via verbindingen samenwerken als één grote machine. Het probleem is dat kwantuminformatie extreem fragiel is. Een kleine verstoring tijdens het transport tussen twee chips is al genoeg om de informatie te vernietigen.
Losse chips die samen één machine vormen
Het team van IBM Research gebruikte voor het experiment twee van hun Nighthawk R1-processoren, elk met 120 qubits, de rekeneenheden van een kwantumcomputer. De chips werden verbonden met vier supergeleidende kabels van ongeveer 80 centimeter lang, gemaakt van aluminium. Supergeleidende materialen geleiden stroom zonder weerstand, maar werken alleen bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt. De hele opstelling moest dus in extreem koude apparatuur blijven.
In elke verbinding geeft een qubit op de ene chip zijn informatie door aan een speciale 'interface-qubit'. Een instelbare schakeling, een zogeheten coupler, stuurt die informatie vervolgens door de kabel naar een overeenkomstig onderdeel op de andere chip. Opvallend is dat de kabels van boven op de chips werden aangesloten in plaats van vanaf de zijkant, zodat de verbindingen dichter bij elkaar konden worden geplaatst. Dat is belangrijk, omdat toekomstige systemen veel meer van dit soort kabels nodig zullen hebben.
Hoge nauwkeurigheid, maar nog niet perfect
De resultaten waren veelbelovend. Het overdragen van kwantuminformatie tussen de chips slaagde met een gemiddelde nauwkeurigheid van 99 procent, met uitschieters tot 99,29 procent op de beste verbinding. Ook rekenbewerkingen die qubits op beide chips tegelijk gebruikten, haalden een gemiddelde nauwkeurigheid van 94,75 procent. Daarmee lieten de onderzoekers zien dat de twee chips niet alleen informatie konden uitwisselen, maar ook daadwerkelijk als één rekensysteem konden functioneren.
Met de opstelling creëerde het team verstrengelde toestanden, een kwantumverschijnsel waarbij qubits onderling verbonden blijven, verspreid over beide processoren. Dat lukte met groepen van vier en zes qubits, en zelfs met twee verstrengelde paren gelijktijdig via naburige kabels. Alle vier verbindingen bleven daarnaast werken na drie keer opwarmen en weer afkoelen van het systeem, wat aantoont dat de koppeling niet alleen eenmalig werkt maar ook herhaalbaar is.
Voor commercieel gebruik is nog verbetering nodig, vooral omdat kwantuminformatie nu nog te snel vervalt. Toch zien de onderzoekers dit als een belangrijke stap. Het onderzoek, gepubliceerd op de preprintserver arXiv, laat zien dat kwantumcomputers in de toekomst mogelijk niet uit één gigantische chip bestaan, maar uit een netwerk van kleinere, onderling verbonden processoren die samen veel makkelijker uit te breiden en te onderhouden zijn.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze proef toont dat losse kwantumchips betrouwbaar en herhaalbaar met elkaar verbonden kunnen worden, ook nadat ze al zijn ingebouwd. Dat maakt het realistischer om kwantumcomputers op te bouwen uit meerdere kleinere, makkelijker te produceren onderdelen in plaats van één steeds groter wordende chip. Op de lange termijn kan dit de weg vrijmaken voor krachtigere en beter opschaalbare kwantumcomputers.
- Qubit
- De basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer, vergelijkbaar met een bit in een gewone computer, maar met kwantumeigenschappen.
- Supergeleiding
- Een materiaaleigenschap waarbij elektrische stroom zonder weerstand kan lopen, maar alleen bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt.
- Kwantumverstrengeling (entanglement)
- Een verschijnsel waarbij twee of meer qubits zo met elkaar verbonden raken dat de toestand van de ene qubit direct samenhangt met die van de andere, ook op afstand.
- Fidelity (nauwkeurigheid)
- Een maat voor hoe goed een kwantumbewerking of -overdracht lukt zonder fouten; hoe dichter bij 100 procent, hoe betrouwbaarder.
- Interface-qubit
- Een speciale qubit die dient als tussenstation om informatie van de ene chip door te geven aan een verbindingskabel.
- Coupler
- Een instelbaar onderdeel dat de verbinding tussen een qubit en een kabel of andere qubit regelt.
- Thermische cyclus
- Het proces van opwarmen en weer afkoelen van de apparatuur, een belangrijke test om te zien of verbindingen duurzaam blijven werken.
- Modulair ontwerp
- Een bouwwijze waarbij een systeem is opgebouwd uit meerdere losse, onderling verbonden onderdelen in plaats van één groot geheel.
- arXiv
- Een online platform waar wetenschappers onderzoek publiceren voordat het door andere experts is beoordeeld (een zogeheten preprint).
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
