AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
IBM verbindt twee kwantumchips van 120 qubits met 99% betrouwbaarheid
IBM heeft twee kwantumprocessoren van elk 120 qubits met elkaar verbonden via vier supergeleidende kabels. De verbinding droeg kwantumtoestanden over met een betrouwbaarheid van gemiddeld 99 procent, een belangrijke stap richting grotere kwantumcomputers die uit meerdere chips zijn opgebouwd.
Kwantumcomputers worden steeds krachtiger, maar lopen tegen een fysieke grens aan: op één chip past maar een beperkt aantal qubits, de rekeneenheden van een kwantumcomputer. Onderzoekers van IBM laten in een nieuwe studie zien hoe dat probleem opgelost kan worden door meerdere chips aan elkaar te koppelen. Ze verbonden twee processoren van het type Nighthawk R1, elk met 120 qubits, via vier dunne supergeleidende kabels van aluminium. Die kabels, ongeveer 80 centimeter lang, fungeren als microgolfverbindingen binnen de extreem koude omgeving waarin kwantumchips moeten werken.
Informatie overdragen zonder verlies
Het grote risico bij het koppelen van chips is dat de kwetsbare kwantuminformatie verloren gaat tijdens de overdracht. Qubits zijn namelijk extreem gevoelig voor verstoring door warmte, straling en kleine onvolkomenheden in de besturing. Toch slaagde het IBM-team erin om kwantumtoestanden tussen de twee chips over te zetten met een gemiddelde betrouwbaarheid, in het vakgebied 'fidelity' genoemd, van 99 procent. Alle vier de kabelverbindingen haalden minstens 98,86 procent, met een topscore van 99,29 procent. Daarnaast slaagden de onderzoekers erin om qubits op verschillende chips met elkaar te verstrengelen, een fenomeen waarbij deeltjes een gedeelde kwantumtoestand delen ongeacht de afstand ertussen. Zelfs grotere groepen van vier en zes qubits, verspreid over beide chips, bleken na correctie voor meetfouten verstrengeld te zijn.
Nog niet perfect, maar een belangrijke bouwsteen
Complete rekenoperaties tussen de twee chips, waarbij qubits op de ene processor moesten reageren op qubits op de andere, haalden een lagere gemiddelde betrouwbaarheid van 94,75 procent. Dat komt omdat zo'n operatie meer stappen vereist dan het enkel overzetten van een toestand, waardoor er meer kans is op foutjes. De onderzoekers ontdekten ook dat magnetische velden tijdens het afkoelen van de kabels tot energieverlies leidden, een probleem dat ze voorlopig oplosten met extra magnetische afscherming. Opvallend is dat de verbindingen drie keer opwarmen en weer afkoelen doorstonden zonder aanpassingen, wat belangrijk is omdat een toekomstige modulaire kwantumcomputer onderhoud en reparatie moet kunnen doorstaan. Volgens een rekenmodel van het team zou de betrouwbaarheid van de overdracht kunnen stijgen tot bijna 99,8 procent als de qubits zelf stabieler worden gemaakt, iets wat de onderzoekers bewust nog niet hadden geoptimaliseerd om het onderzoek te versnellen.
De resultaten, gepubliceerd op de preprint-server arXiv, worden door de onderzoekers beschreven als de eerste demonstratie van een kwantumverbinding met meerdere kanalen tussen twee grote supergeleidende processoren. Eerdere experimenten gebruikten doorgaans chips met maar een paar qubits en één enkele verbinding. De volgende stap is om van vier werkende kabels naar veel meer, betrouwbaardere verbindingen te gaan die ook op grotere schaal te produceren zijn.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze doorbraak laat zien dat kwantumcomputers in de toekomst niet beperkt hoeven te blijven tot één chip, maar opgebouwd kunnen worden uit meerdere kleinere, aan elkaar gekoppelde processoren. Dat kan de weg vrijmaken voor veel krachtigere kwantumcomputers dan nu mogelijk is, zonder dat fabrikanten tegen de technische grenzen van een enkele chip aanlopen. Het is nog geen kant-en-klare oplossing, maar wel een belangrijke stap richting modulaire kwantumsystemen.
- Qubit
- De basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer, vergelijkbaar met een bit in een gewone computer, maar met bijzondere kwantumeigenschappen.
- Fidelity (betrouwbaarheid)
- Een maat die aangeeft hoe goed een kwantumoperatie of overgedragen toestand overeenkomt met het gewenste resultaat; 100 procent betekent een perfecte uitvoering.
- Verstrengeling (entanglement)
- Een kwantumfenomeen waarbij twee of meer qubits zo met elkaar verbonden zijn dat ze een gedeelde toestand delen, ook als ze zich op afstand van elkaar bevinden.
- Supergeleidende kabel
- Een speciale kabel die bij extreem lage temperaturen zonder elektrische weerstand werkt en wordt gebruikt om kwantuminformatie tussen chips over te brengen.
- Controlled-Z-gate
- Een kwantumlogische bewerking die de relatie tussen de toestanden van twee qubits verandert en kan worden gebruikt om verstrengeling te creëren.
- Dephasing
- Het verlies van een stabiele faserelatie tussen qubits, een proces dat fouten veroorzaakt en de betrouwbaarheid van kwantumoperaties vermindert.
- Modulaire kwantumcomputer
- Een kwantumcomputer die is opgebouwd uit meerdere afzonderlijke, onderling verbonden processoren in plaats van één enkele grote chip.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
