IBMは、同社の超伝導量子コンピューターで使用される希釈冷凍システム向けに、新しいモジュール式アーキテクチャを発表した。これは、単一チップの量子プロセッサーを拡張する際の制約を克服することを目指すものだ。この設計では、独立した冷却セルを横に並べて接続でき、量子および従来型のリンクを介して複数のプロセッサー間で情報をやり取りできる。これにより、処理を1つのプロセッサー内に限定する必要がなくなる。
IBMの超伝導量子コンピューターは、宇宙空間よりも低い温度で動作する。そのため、計算を実行するのに十分な時間、量子状態を安定させるため、希釈冷凍機（dilution refrigerators）と専用の熱シールドが必要になる。同社は、キュービット数を増やすには、より大型のプロセッサーだけでなく、複数のプロセッサーを収容して接続しながら熱的安定性を維持できる冷却アーキテクチャも必要だと考えている。
円筒形構造から接続可能なセルへ
現在の量子システムは通常、真空断熱された円筒形の容器内に設置されている。この方式によりIBMは、2016年にクラウド経由で利用可能な最初の量子コンピューターとして5キュービットを搭載したシステムから、2023年に発表した1000キュービット超のIBM Quantum Condorプロセッサーへと移行できた。しかし、単一チップ上での拡張には、スペース、熱の発生、キュービット間の望ましくない干渉に関する制約がある。
これに対し、新しいセルは箱型の形状を採用し、アルミニウム製のパネルと構造体で作られている。各セルには、真空チャンバー、冷却装置、専用の熱シールドを備えた完全な冷却環境が含まれる。また、専用の開口部を通じて、量子ケーブルを隣接するセルへ通すことができる。セルを密着させて配置することで、円筒形容器間を結ぶ長い接続に比べ、接続経路を短縮できる。
実際には何が変わるのか
熱保護層は、隣接するセル間の熱的相互作用を抑えるよう設計されている。IBMによると、新しいセルを追加しても冷却時間と温度安定性はおおむね同等に保たれることが想定されており、計算性能を損なわずにシステムを拡張できる。また、量子プロセッサーや電子機器を新たに導入する際、冷却アーキテクチャ全体を再設計するのではなく、セルを1つずつアップグレードできる。
各セルで利用できる配線スペースは約0.53平方メートルで、真空チャンバーの容積は2.75立方メートルに達する。セルの容積は一般的なキッチン冷蔵庫のおよそ3倍に相当する。このスペースにより、より大型のプロセッサーや高密度な構成に対応できるほか、低温環境内により多くの接続や電子機器を収容できる。
フォールトトレラント量子システムに向けた一歩
IBMは、ニューヨーク州ポキプシーの施設で、接続した2基の冷却セルを稼働させることで新しいアーキテクチャを実際に試験した。同社はこの実験を、複数チップの量子システムを構築するために必要なアプローチの初期検証と位置付けている。こうしたシステムでは、接続されたプロセッサーにタスクを分散したり、より高性能な統合システムとして動作させたりできる。
IBMはこのアーキテクチャを、同社がIBM Quantum Starlingに向けて進める道筋の一部に位置付けている。IBM Quantum Starlingは、同社が初のフォールトトレラント量子コンピューターと説明しており、2029年の実現を見込んでいる。また、将来の単一セルのバージョンでは、少なくとも2000キュービットをサポートすることを見込んでいる。これらのシステムにより、研究者はIBMのモジュール式量子アーキテクチャの構成要素を試験できるようになる。その中には、量子処理モジュールを最大1メートルの距離で接続するため、2024年に初めて披露されたl-couplersも含まれる。