IBM will Industrie-tauglichen Quantencomputer 2029 bringen

Das skalierbare und modulare Kryo-System von IBM zur Unterstützung fehlertoleranter Quantencomputer.
IBM



Der entscheidende Schlüssel, um Quantencomputer in der Breite für praktische Aufgaben nutzbar zu machen, ist die Fehlertoleranz. Ohne Korrektur bricht eine Berechnung mit den empfindlichen Qubits nach wenigen Schritten zusammen. Fehlertoleranz erlaubt dagegen Millionen von Rechenoperationen hintereinander.



Dementsprechend forschen die großen Quanten-Player wie Microsoft, Google, IQM, QuEra, Quantinuum oder IBM an ersten echten, fehlerkorrigierten logischen Qubits. In Bezug auf logische Qubits haben bislang Unternehmen, die einen Ansatz auf Neutralatomen– oder Ionen-Fallen-Basis verfolgen, die Nase vorn.



Das Rennen um Fehlertoleranz



So kündigte erst jüngst QuEra, ein Verfechter von Quantencomputer auf Neutralatom-Basis, an, 2028 mit Libra den ersten fehlertoleranten Quantencomputer auf den Markt zu bringen. Eine Challenge, die IBM nicht auf sich sitzen lassen konnte. Das Unternehmen konterte jetzt: 2029 will man mit Quantum Starling einen ebenfalls fehlertoleranten Rechner offerieren, der 100 Millionen Quantenoperationen bewältigen werde. Dies sei eine 20.000-fache Steigerung gegenüber der heutigen Kapazität.



Um diese Rechenpower zu erreichen, muss IBM als Verfechter des Superconducting-Ansatzes einen enormen Aufwand betreiben. In Poughkeepsie, New York, wo IBM seit Jahrzehnten seine legendären Mainframes fertigt, wird derzeit an der kältesten Baustelle der Computergeschichte gearbeitet. Bei Temperaturen unter 15 Millikelvin (rund -273 Grad Celsius) – das ist kälter als im Weltall – bereitet IBM den Weg für eine neue Ära der Informatik: das Zeitalter der fehlertoleranten Quantencomputer.



Neues Kryo-System



Dazu wirft IBM sein bisheriges Kühlsystem komplett über den Haufen. Wer derzeit an Quantencomputer denkt, hat meist das Bild eines goldenen „Kronleuchters“ im Kopf – hochkomplexe, zylindrische Gebilde aus Kabeln und Goldplatten. Doch IBM bricht mit dieser Tradition. „Wir sind über die zylindrischen Einsätze hinausgegangen“, erklärt Jerry Chow, CTO Quantum-Computing bei IBM, „das neue Design ist rechteckig und modular.“


Darstellung von IBM-Quantenprozessoren, die mithilfe der L-Koppler-Technologie von IBM direkt miteinander verbunden und Teil einer modularen Kryoarchitektur sind.
IBM



Warum der Wechsel zur rechteckigen Modulbauweise? Die Antwort liegt in der Skalierbarkeit. Ein einzelner Quantenprozessor stößt irgendwann an physikalische Grenzen. Die Lösung heißt Vernetzung. Das neue Design erlaubt es, mehrere Kryo-Kühlmodule direkt zusammenzuschalten.



Skalieren – dank Modul-Bauweise



So sind die ersten beiden betriebsbereiten Module über 2,40 Meter hoch und ebenso breit. Die wahre Sensation spielt sich jedoch im Inneren ab. Innerhalb von weniger als fünf Tagen kühlt das System auf 4 Kelvin ab, um kurz darauf die Endtemperatur von unter 15 Millikelvin zu erreichen.



Zudem bietet die neue Lösung zwölfmal mehr Platz für die Verkabelung als das Vorgängermodell Quantum System 1. Dabei lassen sich die boxförmigen Module wie Bausteine zusammenschalten. Der für 2029 angekündigte fehlertolerante Starling soll aus zwölf Modulen bestehen.



Rolle der L-Coupler



Ein entscheidendes Puzzleteil bei der Vernetzung ist der sogenannte „L-Coupler“. Dabei handelt es sich um ein supraleitendes Aluminiumkabel, das bis zu einem Meter lang sein kann. Es ermöglicht es, Quantenoperationen zwischen verschiedenen Chips durchzuführen. Oliver Dial, VP of Quantum Systems, erklärt es simpel: „Was übertragen wird, ist ein einzelnes Mikrowellen-Photon – sonst nichts“. Letztlich fungieren die Koppler als Datenbrücken, die es separaten Chips ermöglichen, Informationen auszutauschen und als ein einziger, riesiger Quantenrechner zu agieren.



Ziel ist es, eine Zuverlässigkeit (Fidelity) von 99,9 Prozent für diese Verbindungen zu erreichen, um logische Operationen über mehrere Module hinweg zu ermöglichen. Bis 2027 will das Unternehmen mittels der L-Coupler ein System mit mindestens 1.000 programmierbaren Qubits realisieren. Dabei sollen die neuen QPUs vom Typ Nighthawk zum Einsatz kommen.



Offenes Rennen



„Der erfolgreiche Anschluss und Betrieb dieser Kryo-Module ist ein gewaltiger Sprung nach vorn“, erklärt Jay Gambetta, Director of IBM Research. Auch wenn die Company, wie sie selbst einräumt, auf dem Weg zum fehlertoleranten Starling noch Tausende dieser kleinen Ingenieursleistungen zu bewältigen hat.



Am Ende des Weges winkt jedoch womöglich das Big Business, denn wie Gambetta weiter ausführt, hängt die Einführung von Quantencomputern in verschiedenen Industriezweigen fundamental von Fortschritten in der Fehlertoleranz ab. Letztlich sei die Fehlertoleranz der Schlüssel, um von experimentellen Systemen zu praktisch einsetzbaren Super-Quantencomputern zu gelangen. Es bleibt spannend, zu beobachten, wer das Rennen macht.