So sah die neue Quanten-Roadmap von IBM nach dem Update 2022 aus. Bisher hat IBM alle seine Ziele erreicht. 2023 wurde ein Update vorgestellt, das einen Plan über das Jahr 2030 umfasst. (Bild: IBM)
Update der IBM Quantum Roadmap 2023
Wie sieht die Zukunft des IBM Quantum Computing aus?
IBM hat auf dem jährlichen IBM Quantum Summit neue Durchbrüche in der Welt des Quantencomputing vorgestellt, die die Art und Weise, wie wir über Datenverarbeitung und wissenschaftliche Forschung denken, revolutionieren könnten. Mit der Einführung von IBM Quantum Heron, dem weltweit leistungsstärksten Quantenprozessor, und IBM Quantum System Two, dem ersten modularen Quantencomputer des Unternehmens, setzt IBM neue Maßstäbe in der Branche.
Wie verbessert der IBM Quantum Heron die Landschaft des Quantencomputings?
Der IBM Quantum Heron stellt einen bedeutenden Fortschritt gegenüber seinem Vorgänger, dem IBM Quantum Eagle, dar. Mit einer Architektur, die über vier Jahre entwickelt wurde, bietet der Heron-Prozessor eine bis zu fünffache Fehlerreduktion. Diese Verbesserung der Fehlerraten ist ein entscheidender Schritt, um Quantencomputer für komplexe Probleme in Bereichen wie Chemie, Physik und Materialforschung nutzbar zu machen.
Was ist das IBM Quantum System Two?
Das IBM Quantum System Two ist nicht nur ein Quantencomputer, sondern der Grundstein für die nächste Generation von Systemarchitekturen im Quantencomputing. Es kombiniert eine skalierbare kryogene Infrastruktur mit modularer Qubit-Steuerelektronik und klassischen Laufzeit-Servern. Dieses System ist ein wesentlicher Baustein für IBMs Vision eines quantenzentrierten Supercomputings, das Quantenkommunikation und -berechnung mit klassischen Rechenressourcen integriert.
Wie sieht die erweiterte IBM Quantum Development Roadmap aus?
IBM hat seine Quantum Development Roadmap bis 2033 erweitert und neue Ziele gesetzt, um die Qualität der Gate-Operationen deutlich zu verbessern. Diese Verbesserungen sollen die Größe der möglichen Quantenschaltkreise erhöhen und das Potenzial des Quantencomputings im großen Maßstab ausschöpfen. IBM plant, dass das IBM Quantum System Two auch zukünftige Generationen von IBM Quantenprozessoren aufnehmen kann, wodurch die Komplexität und der Umfang der Workloads, die sie bewältigen können, erheblich zunehmen werden.
Wie vereinfacht Qiskit die Programmierung von Quantensoftware?
Mit der Einführung von Qiskit 1.0, der weltweit meistgenutzten Open-Source-Software für Quantenprogrammierung, und der Ankündigung von Qiskit Patterns macht IBM die Entwicklung von Quantencomputern zugänglicher. Mit Qiskit Patterns können Entwickler leichter Code erstellen, indem sie klassische Probleme einfach in Quantenschaltungen abbilden und optimieren. Darüber hinaus fördert IBM den Einsatz von generativer KI für die Programmierung von Quantencode durch die Integration von watsonx, was die Entwicklung von Quantenalgorithmen weiter vereinfacht.
Mit seinen jüngsten Ankündigungen erweitert IBM die Grenzen des Quantencomputing. Mit der Einführung des IBM Quantum Heron, des IBM Quantum System Two und der Erweiterung der Quantum Development Roadmap setzt IBM neue Maßstäbe für die Zukunft des Quantencomputings. Mit verbesserten Fehlerraten, einer erweiterten Systemarchitektur und benutzerfreundlicher Software durch Qiskit ist IBM gut positioniert, um das Zeitalter der Quantum Utility voranzutreiben.
Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten
Als im Juni 2021 der erste Quantencomputer in Deutschland von IBM eingeweiht wurde, war das Interesse groß. Aber was verbirgt sich hinter der Technologie? Was kann sie eines Tages leisten, woran wird geforscht und wo lauern Gefahren? Das und mehr erfahren Sie hier.
Stand der IBM-Quanten-Roadmap 2022
IBM hat am 10. Mai 2022 die Erweiterung der Quanten-Roadmap für ein praxisnahes, large-scale Quantencomputing bekanntgegeben. Diese Roadmap enthält Details zu Plänen für neue modulare Architekturen und Netzwerke, die es IBM Quantensystemen ermöglichen sollen, eine höher Anzahl an Qbits zu erreichen, wobei das Unternehmen von Hunderttausenden von Qubits spricht. Um ihnen die Geschwindigkeit und Qualität zu verschaffen, die für praktisches Quantencomputing erforderlich sind, plant IBM den Aufbau einer zunehmend intelligenten Software-Orchestrierungsschicht zur effizienten Verteilung von anfallenden Arbeiten und zur Beseitigung von Infrastrukturproblemen.
Die Arbeit von IBM stützt sich auf drei Säulen: robuste und skalierbare Quantenhardware, modernste Quantensoftware zur Orchestrierung und Aktivierung zugänglicher und leistungsfähiger Quantenprogramme und ein breites globales Ökosystem quantenfähiger Organisationen und Gemeinschaften.
"In nur zwei Jahren hat unser Team unglaubliche Fortschritte bei unserer bestehenden Quanten-Roadmap gemacht. Die Umsetzung unserer Vision hat uns eine klare Sicht auf die Zukunft der Quanten-Computer gegeben und uns gezeigt, was erforderlich ist, um uns in die praktische Ära des Quantencomputing zu bringen", sagte Dario Gil, Senior Vice President, Director of Research, IBM. "Mit unserer Quiskit Runtime Plattform und den in unserer Roadmap dargelegten Fortschritten in den Bereichen Hardware, Software und Theorie wollen wir eine Ära quantenzentrierter Supercomputer einläuten, die unser Entwickler-Community sowie unseren Partnern und Kunden große und leistungsstarke Rechengebiete erschließen wird.”
Hier geht es zum Stand des Beitrag über die Roadmap vor dem Update.
IBM stellt das Update seiner Quanten-Roadmap 2022 vor
Was für die Roadmap von IBM spricht
IBM hat seine Quantenroadmap 2020 angekündigt. Seitdem hat das Unternehmen jedes Ziel in seinem Zeitplan erreicht. Dazu gehört beispielsweise der "IBM Eagle", ein 127-Qubit-Prozessor mit Quanten Circuits, der nicht zuverlässig exakt auf einem klassischen Computer simuliert werden kann und dessen Architektur die Grundlage für Prozessoren mit immer mehr Qubits gelegt hat. Darüber hinaus hat IBM über die Qiskit Runtime-Softwareplattform, das containerisierter Quanten-Computing-Service und -Programmiermodell von IBM, eine 120-fache Beschleunigung der Möglichkeit zur Simulation eines Models erreicht – im Vergleich mit einem Experiment aus dem Jahr 2017. Im weiteren Jahresverlauf erwartet IBM, die zuvor in ihrer Roadmap festlegten Ziele weiter umzusetzen und ihren 433-Qubit-Prozessor "IBM Osprey" vorzustellen.
2023 will IBM seine Ziele der Schaffung einer reibungslosen Entwicklungserfahrung mit Qiskit Runtime und direkt in der Cloud erstellten Workflows weiter vorantreiben, um einen serverlosen Ansatz in den zentralen Quanten-Software-Stack zu integrieren und Entwicklern mehr Einfachheit und Flexibilität zu bieten. Dieser serverlose Ansatz stellt auch einen entscheidenden Schritt zur intelligenten und effizienten Verteilung von Problemen zwischen Quanten- und klassischen Systemen dar. Im Bereich Hardware will IBM "IBM Condor", den weltweit ersten universellen Quantenprozessor mit über 1.000 Qubits, vorstellen.
„Unsere neue Quantum Roadmap zeigt wie wir beabsichtigen die Skalierung, Qualität und Geschwindigkeit zu erreichen, die notwendig sind um die Versprechen der Quanten Technologie einzulösen,“ sagt Jay Gambetta, VP of Quantum Computing und IBM Fellow. „Indem wir modulare Quantum-Prozessoren mit klassischer Infrastruktur verbinden – orchestriert durch Qusikit Runtime – bauen wir eine Plattform, die es den Nutzern erlaubt, sehr einfach Quantum-Berechnungen in ihren Workflow einzubauen und so die essentiellen Herausforderungen unserer Zeit anzugehen.“
Wie IBM das modulare Quantencomputing ermöglichen will
Mit der neuen Roadmap zielt IBM für seine Quantenprozessoren auf drei Stufen der Skalierbarkeit ab: Die erste umfasst die Schaffung von Funktionen zur klassischen Kommunikation und Parallelisierung von Abläufen über mehrere Prozessoren hinweg. Dies wird den Weg zu einer breiteren Reihe von Techniken eröffnen, die für praktische Quantensysteme erforderlich sind, wie verbesserte Fehlerminderungsverfahren und intelligente Orchestrierung von anfallenden Arbeiten, indem klassische Rechenressourcen mit Quantenprozessoren kombiniert werden, deren Größe erweitert werden kann
Der nächste Schritt bei der Bereitstellung einer skalierbaren Architektur enthält die Implementierung von Chip-Kopplern mit kurzer Reichweite. Diese Koppler werden mehrere Chips zur Bildung eines einzigen und größeren Prozessors eng miteinander verbinden und werden grundlegende Modularität ermöglichen, die den Schlüssel zur Skalierung darstellt.
Die dritte Komponente, um eine echte Skalierbarkeit zu erreichen, umfasst die Bereitstellung von Quantenkommunikationsverbindungen zwischen Quantenprozessoren. Dazu hat IBM Quantenkommunikationsverbindungen vorgeschlagen, um Cluster zu einem größeren Quantensystem zu verbinden.
Alle drei Skalierbarkeitstechniken werden für das Ziel von IBM für 2025 eingesetzt: ein 4.000+ Qubit-Prozessor, der mit mehreren Clustern modular skalierter Prozessoren erstellt wird.
Wie IBM seine Quantenprozessoren benennt
IBM bleibt sich sich bei der an Vögeln orientierten Namensgebung treu: der erste Quantenprozessor mit 5 Qubits trägt den „kleinen“ Namen Canary, also Kanarienvogel. Im ersten Quantencomputer in Deutschland steckt ein 27-Qubit-Falcon (Falke)-Prozessor. Die nächste Stufe war der (eigentlich kleinere) Hummingbird (Kolibri) mit 65 Qubits. Noch eine Größenordnung darüber ist der bereits erwähnte Eagle (Adler) mit 127 Qubits. Für 2022 ist zudem noch ein 433-Qubit-Prozessor mit dem Namen Osprey (Fischadler) geplant- Der für Ende 2023 geplante Chip heißt Condor und soll über 1000 Qubits verfügen. Der Tradition der immer größer werdenden Vögel folgend, wäre also als Abschluss der Reihe der Ostrich (Strauß)-Prozessor an der Reihe. So war zumindest unsere Spekulation. Da Strauße jedoch flugunfähig sind (oder aus einem anderen Grund), hat sich IBM für einen anderen Vogel entschieden. Die Wahl fiel auf Kookaburra, auf Deutsch Jägerlieste, laut Wiki eine Gattung innerhalb der Familie der Eisvögel. Demnach endet die Reihe der immer größer werdenden Vögel und es beginnt wieder bei einem kleinen Vogel. Vielleicht also der Anfang einer neuen Reihe.
Aufbau der Struktur von Quantum-Centric Supercomputing
Zusammen mit den Durchbrüchen bei der Hardware zielt die Roadmap von IBM auf Software-Meilensteine ab, um die Fehlerunterdrückung und -minderung zu verbessern. Aktuell bei diesen Techniken erzielte Fortschritte verbessern die Leistung der Quantensoftware bei der Minimierung der Auswirkungen von Rauschen auf die Anwendung des Nutzers und ebnen den Weg zu den fehlerkorrigierten Quantensystemen der Zukunft.
Anfang dieses Jahres hat IBM Basiselemente von Qiskit Runtime eingeführt, die gängige Quanten-Hardware-Abfragen, die in Algorithmen verwendet werden, in einfach zu bedienende Schnittstellen einbinden. 2023 plant IBM , diese Basiselemente mit Funktionen zu erweitern, die es Entwicklern ermöglichen, sie auf parallelisierten Quantenprozessoren auszuführen und damit die Nutzer-Anwendung zu beschleunigen.
Diese Basiselemente werden das Ziel von IBM voranbringen, Quantum Serverless im Jahr 2023 in seinen zentralen Software-Stack zu liefern, um Entwicklern die Möglichkeit zur einfachen Nutzung flexibler Quanten- und klassischer Ressourcen zu geben. Als Teil der aktualisierten Roadmap schafft Quantum Serverless auch die Grundlage für die Kernfunktionalität innerhalb des Software-Stacks von IBM, um auf intelligente Weise zwischen elastischen klassischen und Quantenressourcen zu wechseln und die Struktur des quantenzentrischen Supercomputing zu bilden.
Die neuen Systeme, auf die die erweiterte Quanten-Roadmap von IBM abzielt, sind für den Betrieb im IBM Quantum System Two konzipiert. Durch die Integration von Modularität und Flexibilität in jede Schicht des Technologie-Stacks wird das IBM Quantum System Two die Infrastruktur bieten, die für die erfolgreiche Verbindung mehrerer Quantenprozessoren erforderlich ist. Ein Prototyp dieses Systems soll 2023 betriebsbereit sein.
Stand des Beitrags zur IBM-Quantum-Roadmap vom März 2022
Auch wenn es andere Player im Bereich der Quantencomputer gibt, ist der Name IBM unweigerlich mit dem Thema verknüpft. Mit seiner Quanten-Roadmap für die Skalierung der Quantentechnologie hat IBM bis 2023 Großes vor. Hier werfen wir einen genaueren Blick auf die ambitionierten Pläne.
Was Quantencomputer laut IBM mit der Mondlandung zu tun haben.
Wie schon bei der Vorstellung des 127 Qubits-Prozessors Eagle, spart der Konzern bei der Vorstellung seines Fahrplans nicht mit großen Worten. „Wie bei der Mondlandung haben wir ein ultimatives Ziel, das jenseits dessen liegt, was mit klassischen Computern möglich ist: Wir wollen einen Quantencomputer im großen Maßstab bauen“, heißt es dort. Zwar ist am Anfang „nur“ davon die Rede, dass die Quanten-Roadmap zu immer größeren und besseren Chips führt. Kurz darauf ist davon die Rede, dass IBM „einen Quantencomputer im großen Maßstab bauen wollen.“ In Zahlen gefasst ist das bisherige Ziel der Condor-Prozessor, ein Chip mit über 1000 Qubits, der Ende 2023 erscheinen soll. Von den 1 Millionen Qubits, die mancherorts als Zahl genannt werden, damit Quantencomputer sinnvoll kommerziell nutzbar sind, ist das natürlich noch ein paar Zehnerpotenzen entfernt. Daher sieht IBM in Condor nur einen Zwischenschritt auf dem Weg zur 1-Millionen-Qubtits-Schallmauer. Bei IBM liest sich das so: „Wir stellen den Fahrplan vor, der uns unserer Meinung nach von den lauten, kleinen Geräten von heute zu den Geräten mit mehr als einer Million Qubits der Zukunft führen wird.“ Auch ein paar Details zu diesem Plan stehen in der Roadmap „Um über Condor hinaus noch größere Geräte unterzubringen, entwickeln wir einen Verdünnungskühlschrank, der größer ist als alle derzeit auf dem Markt erhältlichen.“ Auch im weiteren Text gilt das Motto: Nicht kleckern, sondern klotzen: „Gleichzeitig ist unsere Hardware-Roadmap das Herzstück einer größeren Mission: die Entwicklung eines vollständigen Quantencomputers, der über die Cloud bereitgestellt wird und von jedem auf der Welt programmiert werden kann.“
Wie IBM seine Quantum-Ziele erreichen will
Neben den absoluten Qubit-Zahlen ist noch ein weiterer Faktor entscheidend, um das Quantencomputing voranzutreiben: die Qubits müssen möglichst fehlerfrei rechnen. Daher untersuchen Mitglieder des IBM Quantum-Teams, wie sie immer größere Systeme von Qubits lange genug und mit wenigen Fehlern kontrollieren können, um die komplexen Berechnungen durchzuführen, die für zukünftige Quantenanwendungen erforderlich sind.
Mit unserer klaren Vision scheint ein fehlertoleranter Quantencomputer nun ein erreichbares Ziel innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu sein.
Das IBM Quantum-Team baut Quantenprozessoren, die sich auf die Mathematik der Elementarteilchen stützen, um Rechenkapazitäten zu erweitern, indem sie Quantenschaltungen anstelle der Logikschaltungen von Digitalcomputern verwenden. Zur Darstellung von Daten verwende IBM elektronische Quantenzustände künstlicher Atome, so genannter supraleitender Transmon-Qubits, die mit einer Folge von Mikrowellenimpulsen verbunden und manipuliert werden, um diese Schaltungen zu betreiben. IBM erforscht supraleitende Qubits seit Mitte der 2000er Jahre und hat die Kohärenzzeiten – der Zeitraum, über den sich die Qubits in einem verschränkten Zustand befinden – erhöht und die Fehler verringert, um Anfang der 2010er Jahre Multi-Qubit-Geräte zu ermöglichen.
Welchen Quantumprozessor plant IBM als nächstes?
Mit den für die kleineren Prozessoren festgelegten Konstruktionsprinzipien will IBM im Jahr 2022 ein Quantum Osprey-System mit 433 Quantenbits herausbringen. Effizientere und dichtere Steuerungen und kryogene Infrastrukturen sollen sicherstellen, dass die größeren Prozessoren nicht zu Lasten der Leistung der einzelnen Qubits geht, keine weiteren Rauschquellen einführen und keinen zu großen Platz beanspruchen.
Im Jahr 2023 plant IBM, den Quantum Condor-Prozessor mit 1.121 Qubits vorzustellen, der die Erkenntnisse aus früheren Prozessoren aufgreift und gleichzeitig die kritischen Zwei-Qubit-Fehler weiter verringert und so längere Quantenschaltungen ermöglichen. Auch an dieser Stelle hat IBM Großes vor: „Wir betrachten Condor als einen Wendepunkt, einen Meilenstein, der unsere Fähigkeit markiert, Fehlerkorrekturen zu implementieren und unsere Geräte zu vergrößern, während er gleichzeitig komplex genug ist, um potenzielle Quantenvorteile zu erforschen – Probleme, die wir auf einem Quantencomputer effizienter lösen können als auf den besten Supercomputern der Welt.“
IBM Quantum Development Roadmap
Jay Gambetta, IBM Fellow und Vice President, Quantum Computing bei IBM, erklärt die IBM Quantum Roadmap.
Was IBM mit dem „Superkühlschrank“ Goldeneye vorhat
Mit der für den Bau von Condor erforderlichen Entwicklung wurden einige der dringendsten Herausforderungen bei der Skalierung eines Quantencomputers gelöst. Im Bereich jenseits der Tausend-Qubit-Marke, werden die heutigen kommerziellen Verdünnungskühlschränke nicht mehr in der Lage sein, solche potenziell großen, komplexen Geräte effektiv zu kühlen und zu isolieren.
Deshalb entwickelte IBM einen ca. 3 Meter hohen und etwa 1,8 Meter breiten "Superkühlschrank" mit dem internen Codenamen "Goldeneye“. Der Verdünnungskühlschrank ist laut IBM größer als alle heute auf dem Markt erhältlichen. Damit hat IBM gleich die Kühlung von Systeme mit einer Million Quantenbits kühlen und hat bereits mit Machbarkeitstests begonnen. Letztendlich stellt sich der Konzern eine Zukunft vor, in der Quantenverbundnetze die Verdünnungskühlschränke mit jeweils einer Million Qubits so miteinander verbinden, wie das Intranet die Supercomputer verbindet, so dass ein massiv paralleler Quantencomputer entsteht, „der die Welt verändern kann.“
