IBM在芯片之间传输量子信息的准确率达到99%

IBM研究团队将两块各含120个量子比特（qubit）的量子芯片用四根长距离耦合器相连，测得量子信息传输平均保真度为99%，最高达99.29%。据科技资讯网站ScienceAlert报道，这项实验被视为模块化量子计算路线的一次关键验证。相关成果以预印本形式发布于arXiv平台，尚未经过同行评审。

实验所用连接器为L型耦合器（L-coupler），由超导铝制成，长度80厘米。论文显示，每根耦合器串接两个频率可调的L量子比特、两个基于射频超导量子干涉器件（RF-SQUID）的"i2m"耦合器，以及80厘米超导铝同轴电缆，将两台处理器上对应的量子比特两两相连。电缆垂直于处理器表面安装，以支持更密集的布设；芯片与电缆之间采用铟-铟室温压力键合，即在两个模块分别装好后完成物理连接。耦合器工作模式位于5吉赫兹附近，内部品质因子为0.86×10的6次方，能量损耗处于较低水平。

量子比特是量子计算的基本单元。与传统比特只能在0或1之间取值不同，量子比特在被测量之前可处于叠加态，这一特性带来了经典计算不具备的并行能力。此次L型耦合器传输的正是量子比特的量子态。在量子尺度上，80厘米属于"长距离"，脆弱量子态在其中的保持是这项技术的核心难点。

模块化逻辑的本质，是扩展方式的选择：与其在单块芯片上不断堆叠量子比特，不如通过连接器把多块芯片拼成整机。前者越到后期越受制于制造良率、布线密度与串扰控制；后者则以相对成熟的单芯片为单元向外扩展。研究人员在论文中写道："未来数年，量子计算机的处理器复杂度与模块数量都将显著上升，这类机器需要大量规格一致的模块间连接。我们展示了一条在模块装入低温恒温舱后，于大型量子处理器之间实现多条L型耦合器的可行路径。"

测试结果显示，这些耦合器在运行中能量损耗很低，经过三次升温与降温循环后仍能正常工作，并可在两块芯片之间传递量子纠缠。论文还报告了跨模块的双比特门操作：位于不同模块的量子比特之间实现远距离受控Z门（CZ门），平均保真度为94.75%，最佳链路为96.42%。论文作者称，据其所知，这是大型超导量子处理器之间首次实现多通道量子互联，为模块化系统的规模化提供了可用构件。

不过，实验同时暴露出待解决的问题。研究人员观测到磁场干扰会降低信号质量，耦合器效率仍需进一步改进，才能达到实际应用水平。需要指出的是，本次测试中跨模块CZ门的保真度（94.75%）明显低于状态传输保真度（99%），说明跨芯片的双比特操作仍是短板。此外，该研究目前仅为预印本，相关结论有待同行评审确认。

这一成果的背景，是IBM对模块化路线的明确押注。今年8月，该公司宣布完成首批模块化低温系统的互联，新设计的盒状低温模块可并排连接，为芯片之间直接布置L型耦合器留出空间。按IBM的规划，量子比特与耦合器将安装在接近绝对零度的低温恒温舱内运行，远期目标是到2029年把数百块量子芯片连成整机，交付容错量子计算机。IBM研究院主任杰伊·甘贝塔（未直接参与此项研究）在相关声明中称，低温模块的成功连接与运行标志着"向前迈出一大步"。需要说明的是，这一时间表属于厂商自身规划，并非行业共识，容错量子计算整体仍处于工程验证阶段。

从产业格局看，多芯片互联几乎是所有主流技术路线共同面对的基础设施问题。超导路线是目前投入最集中、进展最快的方向之一，谷歌等厂商同样在推进更大规模处理器与纠错演示；离子阱、中性原子、光子等路线也各自推进，模块化与互连是各家绕不开的环节。对超导路线而言，此次实验的意义在于单独验证了"芯片间连接"这一环节：若多芯片互联的保真度与稳定性持续提升，量子计算机的规模上限将从单芯片比特数，转向整机系统的工程整合能力。

但单次演示与实用系统之间仍有明显距离。99%的状态传输保真度按口径换算，相当于每100次传输约有1次出错；在需要海量操作的容错计算场景下，这样的错误率仍需数量级改善。磁干扰抑制、热循环后的长期稳定性、跨模块双比特门精度，都是后续要解决的问题。模块化能否真正成为超导量子计算规模化的路径，仍需要更多实验与同行评审的检验。