IBM koppelt twee kwantumchips met kabels van 80 centimeter
Onderzoekers van IBM verbonden twee kwantumchips van elk 120 qubits met vier supergeleidende koppelingen van 80 centimeter. Kwantuminformatie kwam gemiddeld 99 van de 100 keer goed over. Het is een stap naar kwantumcomputers die uit losse modules worden opgebouwd.
Onderzoekers van IBM hebben twee kwantumchips met elkaar verbonden via vier koppelingen met kabels van ongeveer 80 centimeter. Elke chip heeft 120 qubits, de rekeneenheden van een kwantumcomputer. Over die koppelingen ging kwantuminformatie van de ene chip naar de andere. Dat lukte gemiddeld in 99 procent van de gevallen. De beste koppeling haalde 99,29 procent.
Het werk komt van het onderzoekscentrum T.J. Watson van IBM. Het staat als voorpublicatie online en wordt nog beoordeeld door andere wetenschappers. Volgens de onderzoekers is het voor zover zij weten de eerste keer dat zulke grote supergeleidende kwantumchips via meerdere koppelingen tegelijk aan elkaar zijn geschakeld.
Waarom chips aan elkaar koppelen?
Een gewone computer rekent met bits: een 1 of een 0, zoals kop of munt. Een qubit kan ook iets daartussenin zijn, net als een munt die nog draait. Pas bij het meten valt hij op kop of munt. Daardoor kan een kwantumcomputer sommige problemen veel sneller oplossen dan een gewone computer.
Om hun volle kracht te bereiken, hebben kwantumcomputers waarschijnlijk miljoenen qubits nodig. Die passen niet op één chip. Volgens kwantumwetenschapper Winfried Hensinger van de University of Sussex loop je vroeg of laat tegen de grootte van de chip aan. Die bepaalt hoeveel qubits erop passen. Daarom willen veel bedrijven kleinere chips als bouwblokken aan elkaar koppelen, zoals stukjes van een puzzel.
Dat koppelen is lastig. Kwantuminformatie is heel kwetsbaar: een klein beetje warmte of storing verstoort de draaiende munt al. Een afstand van 80 centimeter is voor zulke informatie dus heel lang.
Hoe de koppeling werkt
Elke koppeling bestaat uit een kabel van supergeleidend aluminium. Supergeleidend betekent dat het metaal bij extreme kou stroom geleidt zonder weerstand. Aan beide kanten van de kabel zit een klein, regelbaar koppelstuk dat als tussenstation dient. De informatie gaat als een estafettestokje van een qubit op de eerste chip, via die tussenstations en de kabel, naar een qubit op de tweede chip.
De kabels staan rechtop op de chip. Zo passen er meer verbindingen naast elkaar. Ze worden pas vastgedrukt als beide chips al in het koelsysteem zitten. Volgens de onderzoekers maakt dat de aanpak praktisch voor grote machines met veel verbindingen.
De onderzoekers lieten ook rekenstappen uitvoeren tussen qubits op de twee verschillende chips. Die lukten gemiddeld in 94,75 procent van de gevallen, en bij de beste koppeling in 96,42 procent. Met die rekenstappen maakten ze verstrengeling over de twee chips heen. Verstrengelde qubits hangen zo nauw samen dat ze als één geheel werken, ook al zitten ze op verschillende chips. Verder verloren de kabels weinig energie. Ze bleven werken nadat het systeem drie keer was opgewarmd en weer afgekoeld.
Wat er nog beter moet
De onderzoekers zagen dat magnetische storing de kwaliteit van het signaal beïnvloedde. Ze willen de koppelingen nog efficiënter maken voordat ze klaar zijn voor gebruik. In deze proef zijn twee chips gekoppeld. De volgende stap is het koppelen van veel meer chips. Volgens de onderzoekers wordt het dan lastiger om elke verbinding even goed te laten werken.
IBM wil de chips en koppelingen inbouwen in de koelsystemen die het bedrijf in augustus 2026 liet zien. Die houden de qubits op de extreem lage temperatuur die ze nodig hebben. Het bedrijf wil uiteindelijk honderden chips in zulke systemen aan elkaar koppelen. Volgens IBM moet dat in 2029 leiden tot de eerste fouttolerante kwantumcomputer: een machine die zijn eigen rekenfouten opvangt en daardoor betrouwbaar lange berekeningen kan doen. Jay Gambetta, directeur van IBM Research, noemt het koppelen en laten werken van deze gekoelde modules een grote stap in die richting.
Een andere aanpak uit Sussex
IBM is niet de enige die aan koppelingen tussen kwantumchips werkt. In februari 2023 beschreven onderzoekers van de University of Sussex in het vakblad Nature Communications een heel andere aanpak. Zij gebruiken als qubits elektrisch geladen atomen, ionen, die zweven boven een chip. Met een elektrisch veld schoven ze die ionen van de ene chip naar de andere, zoals je een puzzelstukje naar het volgende stuk schuift. Hun techniek heet UQConnect.
Dat lukte 2.424 keer per seconde. Meer dan 99,999993 procent van de ionen kwam goed aan. Volgens de onderzoekers bleef de kwantuminformatie in het ion daarbij behouden. Die getallen zijn niet te vergelijken met die van IBM. In Sussex ging het erom of het ion zelf aankwam. Bij IBM ging het om hoe goed de kwantuminformatie overkwam. Het bedrijf Universal Quantum, dat uit de universiteit is voortgekomen, werkt de techniek verder uit. Volgens kwantumwetenschapper Mariam Akhtar, die het onderzoek aan het prototype leidde, bevestigt de proef de bouwwijze die Universal Quantum ontwikkelt.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Kwantumcomputers kunnen straks rekenwerk doen dat gewone computers niet aankunnen. Onderzoekers noemen onder meer het ontwerpen van nieuwe materialen, onderzoek naar medicijnen, betere beveiliging en klimaatmodellen. Daarvoor moeten de machines veel groter worden dan nu.
Dit werk van IBM laat zien dat grote supergeleidende kwantumchips betrouwbaar met elkaar kunnen praten, ook als ze al in hun koelsysteem zitten en tientallen centimeters van elkaar af staan. Dat is een belangrijke bouwsteen voor computers die uit vele modules bestaan in plaats van uit één steeds grotere chip.
De volgende stappen zijn duidelijk: minder storing, meer koppelingen tegelijk en uiteindelijk honderden gekoppelde chips. Lukt dat, dan komt een kwantumcomputer die groot en betrouwbaar genoeg is voor echt nuttig rekenwerk een flink stuk dichterbij.
