IBMs Quantum Roadmap

Parallel zu den Bemühungen, kleineren Geräte auf dem Gebiet des Quantencomputings zu verbessern, hat IBM eine Roadmap für die Skalierung auf größere Systeme veröffentlicht. Hier werfen wir einen genaueren Blick darauf. (Bild: IBM)

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.“

Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten

Themenschwerpunkt Quantencomputer auf all-electronics.de
(Bild: Bartek Wróblewski – Adobe Stock)

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.

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.

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.

Mit unserer klaren Vision scheint ein fehlertoleranter Quantencomputer nun ein erreichbares Ziel innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu sein.

IBM

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. Da Strauße jedoch flugunfähig sind, bleibt das noch abzuwarten.

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.

Mitglieder des Quantum-Teams von IBM arbeiten an einem Quantencomputer
Mitglieder des Quantum-Teams von IBM untersuchen, wie man immer größere Systeme von Qubits so lange und mit so wenigen Fehlern kontrollieren kann, dass die komplexen Berechnungen, die für künftige Quantenanwendungen erforderlich sind, möglich werden. (Bild: IBM)

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.“

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