Přelomový moment v kvantovém počítačnictví

Vědci z IBM Quantum dosáhli významného milníku v vývoji kvantových počítačů. Poprvé v historii se jim podařilo propojit dva samostatné kvantové procesory v reálném čase a provozovat je jako jediný koherentní kvantový systém. Experiment, který byl publikován v prestižním časopise Nature, demonstruje funkční propojení dvou 127-qubitových procesorů Eagle, čímž vznikl systém s celkovou kapacitou 142 qubitů.

Tento úspěch představuje zásadní krok směrem k modulární architektuře kvantových počítačů, která by mohla překonat fyzikální a technické limity současných monolitických čipů.

Jak to funguje?

Jádrem experimentu je technologie tzv. dynamických obvodů (dynamic circuits) a virtuálních bran realizovaných pomocí klasické komunikace mezi procesory. Propojení nefunguje na kvantové úrovni – qubity zůstávají na svých čipech – ale klasické řídicí systémy komunikují v reálném čase a koordinují operace napříč oběma procesory.

Klíčové prvky technologie:

  • Klasické spojení v reálném čase: Měření provedená na jednom čipu okamžitě ovlivňují operace na druhém čipu
  • Dynamické obvody: Umožňují podmíněné kvantové operace založené na výsledcích měření během samotného běhu obvodu
  • Virtuální Bell páry: Místo fyzického vytváření provázaných párů mezi čipy se používá kvazi-pravděpodobnostní dekompozice (QPD) k simulaci statistik provázanosti

Latence klasického spojení je přitom řádově 0,5 mikrosekundy – dostatečně krátká na to, aby zůstala v rámci koherenčního času qubitů.

Graph state na 142 qubitech

Vědci demonstrují schopnosti propojeného systému na přípravě tzv. grafového stavu (graph state) – speciálního provázaného kvantového stavu, který je klíčový pro mnoho kvantových algoritmů a kvantové korekce chyb.

Tým připravil grafový stav na 134 qubitech, který tvoří kruhovou strukturu vinoucí se napříč oběma procesory. Tento stav vyžaduje čtyři „dlouhé" hranové spoje, které fyzicky neexistují – jsou realizovány právě pomocí virtuálních bran.

Výsledky ukazují, že:

  • Všechny hrany vykazují statistiky bipartitní provázanosti na 99% hladině spolehlivosti
  • Chybovost stabilizátorů na virtuálních branách je nižší než při použití tradičních SWAP bran
  • Kvalita výsledků srovnatelná s hardware-nativními operacemi

Proč je to důležité?

Současné superconducting kvantové procesory čelí několika fundamentálním omezením:

  1. Planární konektivita: Qubity jsou uspořádány v 2D mřížce s omezenými sousedními spoji
  2. Škálování: Zvětšování čipů zvyšuje složitost výroby a náchylnost k chybám
  3. Počet qubitů: Fyzické limity brání umístění tisíců qubitů na jeden čip

Modulární přístup řeší tyto problémy tím, že:

  • Umožňuje neplanární konektivitu mezi libovolnými qubity napříč čipy
  • Škáluje počet qubitů přidáváním dalších modulů
  • Zjednodušuje výrobu – menší čipy jsou snáze vyrobitelné
  • Umožňuje postupné upgrady – lze vyměnit jednotlivé moduly

Cesta k kvantově-centric supercomputingu

IBM tento experiment prezentuje v kontextu své vize kvantově-centric supercomputingu (QCSC – Quantum-Centric Supercomputing). Společnost nedávno zveřejnila referenční architekturu pro integraci kvantových a klasických HPC systémů.

Architektura QCSC zahrnuje tři úrovně:

  1. Kvantový systém – QPU s klasickým runtime (FPGA, ASIC pro korekci chyb)
  2. Programovatelné CPU/GPU systémy – umístěné blízko kvantového hardwaru, propojené nízkolatenčními sítěmi
  3. Cloudové/partnerské systémy – vzdálené výpočetní zdroje

Propojení více QPU v reálném čase je přitom klíčovou technologií pro první úroveň této architektury.

Technické detaily: LO vs LOCC

Experiment testuje dva přístupy k virtuálním branám:

LO (Local Operations only):

  • Spouští se více nezávislých obvodů na každém čipu
  • Výsledky se klasicky zkombinují afterward
  • Jednodušší implementace, ale vyšší sampling overhead

LOCC (Local Operations + Classical Communication):

  • Používá dynamické obvody s feed-forward operacemi
  • Měření na jednom čipu okamžitě ovlivňuje operace na druhém
  • Efektivnější kompilace, nižší sampling cost
  • Vyžaduje real-time klasické spojení

Oba přístupy dosahují srovnatelné kvality výsledků, přičemž LOCC má výhodu v efektivitě kompilace a nižším overheadu.

Výzvy a budoucí směr

Přestože je experiment průlomový, existují omezení:

  • Sampling overhead: Circuit cutting zvyšuje varianci měřených observables
  • Latence: 0,5 μs zpoždění vyžaduje error mitigation techniky
  • Komplexita: Řídicí systémy musí být přesně synchronizované

Do budoucna IBM plánuje:

  • Mikrovlnné spoje mezi čipy (medium-term) – fyzické kvantové propojení
  • Optické transdukce (long-term) – propojení na větší vzdálenosti
  • Snížení sampling overheadu pomocí distribuce provázanosti

Co to znamená pro praxi?

Pro vývojáře a výzkumníky to znamená, že se blížíme k éře, kdy:

  • Kvantové počítače nebudou omezeny velikostí jednoho čipu
  • Bude možné spouštět algoritmy vyžadující stovky až tisíce qubitů
  • Kvantové zdroje budou integrovány s klasickými HPC systémy

IBM již nyní nabízí přístup k 127+ qubitovým procesorům prostřednictvím cloudu. Modulární architektura by měla v příštích letech umožnit škálování na tisíce qubitů bez nutnosti revolučních změn v technologii čipů.

Shrnutí

Propojení dvou kvantových procesorů v reálném čase je významným technickým milníkem na cestě k praktickým kvantovým počítačům. Demonstruje, že modulární architektura je proveditelná a že klasická komunikace může účinně rozšířit možnosti kvantového hardwaru.

Pro kvantovou komunitu je to potvrzení, že cesta k fault-tolerant kvantovým počítačům nevede pouze přes zvětšování jednotlivých čipů, ale také přes chytré propojování existujících technologií.

Zdroje: