Processors

IBM bouwt modulaire ‘kwantumkoelkasten die chips afkoelen tot onder 15 millikelvin

Bij veel kwantumcomputers wordt de eigenlijke kwantumchip tot extreem lage temperaturen gekoeld, omdat de gevoelige kwantumtoestanden anders te snel door hun omgeving zouden worden verstoord. Met name bij supergeleidende qubits, zoals die bijvoorbeeld door IBM, Google of Rigetti worden gebruikt, liggen de typische bedrijfstemperaturen slechts enkele millikelvin boven het absolute nulpunt.

Bij de exploitatie van een kwantumcomputer vormt het bereiken van deze extreem lage temperaturen de grootste uitdaging – zowel vanuit technisch als vanuit energetisch oogpunt. IBM heeft nu een modulaire architectuur voor de koeling van kwantumcomputers gepresenteerd. In zijn eigen rekencentrum voor kwantumcomputers wil IBM tegen 2029 het systeem met de naam 'Starling' met juist deze modulaire architectuur implementeren.

De 'koelkasten' zijn volledig vervaardigd uit aluminium, dat volgens de ter beschikking gestelde foto’s extreem dikwandig is. Of en in welke vorm hier nog verdere isolatie plaatsvindt, is niet bekend. Evenmin is bekend welke techniek precies wordt toegepast. IBM vermeldt alleen dat deze eerste fase na vijf dagen een temperatuur van 4 K heeft bereikt. 4 K komt ongeveer overeen met de temperatuur van vloeibaar helium. Dit is ook nodig om vervolgens de bedrijfstemperatuur van de kwantumcomputer te bereiken. Door middel van de verdamping van helium werd vervolgens een eindtemperatuur van 15 millikelvin bereikt.

Dankzij het nieuwe, rechthoekige ontwerp is het bovendien mogelijk om meerdere modules dicht naast elkaar te plaatsen. IBM wil de extra inbouwruimte onder meer gebruiken om kwantumprocessoren rechtstreeks met elkaar te verbinden. Hierbij wordt gebruikgemaakt van de zogenaamde L-coupler-technologie. Deze moet de communicatie tussen afzonderlijke kwantumchips mogelijk maken en deze samenvoegen tot een grotere kwantumcomputer.

In het kader van zijn roadmap is IBM van plan om tegen 2027 meerdere processors met behulp van de L-coupler te verbinden tot een systeem met ten minste 1.000 programmeerbare qubits. Het gaat hierbij om qubits die direct voor berekeningen kunnen worden gebruikt. Om de technische basis hiervoor verder te testen, wil IBM nog dit jaar Quantum Nighthawk-processoren in de nieuwe cryomodules integreren en daarmee de tests onder reële bedrijfsomstandigheden uitbreiden. Volgens het bedrijf zullen de afzonderlijke cryomodules bij de geplande lancering van het Starling-systeem elk duizenden qubits kunnen herbergen.

De ontwikkeling van Starling vloeit voort uit een methode voor kwantumfoutcorrectie die vorig jaar al werd geïntroduceerd. De daarbij gebruikte foutcorrectiecode moet de voor fouttolerante kwantumcomputing benodigde hardware-inspanning aanzienlijk verminderen. IBM wijst sindsdien op vooruitgang bij centrale hardwarecomponenten en bij methoden voor het efficiënt decoderen van foutcorrectiegegevens.

De nieuwe cryomodules zouden bovendien moeten bijdragen aan het versnellen van de ontwikkeling van toekomstige kwantumcomputers. Hiervoor neemt IBM centrale componenten over uit de omgeving van het huidige Quantum System Two en integreert deze in een architectuur waarin de afzonderlijke onderdelen onafhankelijk van elkaar kunnen worden getest en verder ontwikkeld. Volgens het bedrijf moet deze modulaire aanpak kortere ontwikkelingscycli mogelijk maken.

Met de levering van de nieuwe cryomodules ziet IBM een nieuwe belangrijke stap op weg naar zijn langetermijnroadmap voor kwantumcomputers. Centraal staat daarbij de schaalbaarheid van de systemen, die wordt beschouwd als een van de essentiële voorwaarden voor fouttolerante kwantumcomputing.