Quantum Computing: IBM stellt ambitionierte Pläne in Aussicht

Das neue System trägt den Namen IBM Quantum Starling und soll bis 2029 verfügbar sein. Um den Rechenstatus der Lösung darzustellen, wäre den Entwicklern zufolge der Speicher von mehr als einer Oktillon (10^48) der leistungsstärksten Supercomputer der Welt erforderlich.

Mit Starling sollen Nutzer in die Lage versetzt werden, die volle Komplexität und Reichhaltigkeit seiner Quantenzustände zu erforschen. Diese werden die limitierten Eigenschaften übertreffen, über die aktuelle Quantencomputer verfügen, so Big Blue weiter.

„IBM beschreitet neue Wege im Quantencomputing“, sagte Arvind Krishna, Chairman und CEO von IBM. „Unsere Expertise in Mathematik, Physik und Ingenieurwissenschaften ebnet den Weg für einen hochskalierenden, fehlertoleranten Quantencomputer – einen, der reale Herausforderungen lösen und enorme Geschäftsmöglichkeiten eröffnen wird.“

Skalierbarkeit

Ein hochskalierender, fehlertoleranter Quantencomputer mit Hunderten oder Tausenden logischen Qubits könnte Hunderte Millionen bis Milliarden Operationen ausführen, was zu Zeit- und Kosteneinsparungen in Bereichen wie der Arzneimittelentwicklung, Materialforschung, Chemie und Optimierung beitragen kann.

Starling werde in der Lage sein, auf die für derartige Herausforderungen erforderliche Rechenleistung zuzugreifen, indem er 100 Millionen Quantenoperationen mit 200 logischen Qubits ausführt, so IBM weiter. Das wird die Grundlage für das System IBM Quantum Blue Jay sein: Dieses soll dann 1 Milliarde Quantenoperationen über 2.000 logische Qubits ausführen.

Ein logisches Qubit ist eine Einheit eines fehlerkorrigierten Quantencomputers, der die Aufgabe hat, Quanteninformationen im Umfang eines Qubits zu speichern. Es besteht aus mehreren physischen Qubits, die zusammenarbeiten, um diese Informationen zu speichern und sich gegenseitig auf Fehler hin zu überwachen.

Wie klassische Computer müssen auch Quantencomputer fehlerkorrigiert werden, um große Workloads fehlerfrei ausführen zu können. Dazu werden Cluster physischer Qubits verwendet, um eine kleinere Anzahl logischer Qubits mit geringeren Fehlerraten als die zugrunde liegenden physischen Qubits zu erstellen. Die Fehlerraten logischer Qubits sinken exponentiell mit der Größe des Clusters, sodass eine größere Anzahl von Operationen ausgeführt werden kann, erklärt IBM weiter.

Von entscheidender Bedeutung für skalierbares Quantencomputing sei die Schaffung einer steigenden Anzahl logischer Qubits, die Quantenschaltkreise mit möglichst wenigen physischen Qubits ausführen können. Bis heute wurde kein klar definierter Weg zum Aufbau eines solchen fehlertoleranten Systems ohne übermäßigen Entwicklungsaufwand veröffentlicht, betonen die Entwickler.

Fehlertoleranz

Die erfolgreiche Ausführung einer effizienten fehlertoleranten Architektur hänge von der Wahl des Fehlerkorrekturcodes ab und davon, wie das System konzipiert und erstellt wird, um die Skalierung dieses Codes zu ermöglichen, erklärt IBM.

Alternative und frühere Goldstandard-Fehlerkorrekturcodes stellen grundlegende technische Herausforderungen dar. Um eine Skalierung zu erreichen, wäre eine nicht ausführbare Anzahl physischer Qubits erforderlich, um genügend logische Qubits für die Durchführung komplexer Operationen zu erzeugen. Dies würde einen unverhältnismäßigen Mehraufwand an Infrastruktur und Steuerelektronik erfordern. Daher sei es IBM zufolge unwahrscheinlich, dass sie über kleine Experimente und Systeme hinaus umgesetzt werden können.

Roadmap

Die neue IBM Quantum Roadmap skizziert die wichtigsten technologischen Meilensteine, die die Kriterien für Fehlertoleranz darstellen und ausführen werden. Jeder neue Prozessor in der Roadmap befasst sich mit spezifischen Herausforderungen beim Aufbau modularer, skalierbarer und fehlerkorrigierter Quantensysteme:

IBM Quantum Loon, geplant für das Jahr 2025, ist zum Testen von Architekturkomponenten für den qLDPC-Code konzipiert, darunter „C-Koppler“, die Qubits über größere Entfernungen innerhalb desselben Chips verbinden.

IBM Quantum Kookaburra, erwartet für 2026, soll dann der erste modulare Prozessor von IBM sein, der das Speichern und Verarbeiten verschlüsselter Informationen unterstützt. Er soll Quantenspeicher mit logischen Operationen kombinieren – dem grundlegenden Baustein für die Skalierung fehlertoleranter Systeme über einen einzelnen Chip hinaus.

IBM Quantum Cockatoo, für 2027 erwartet, soll zwei Kookaburra-Module mithilfe von „L-Kopplern“ miteinander verschränken. Diese Architektur soll Quantenchips – wie Nodes in einem größeren System – miteinander verbinden, wodurch der Bedarf zum Bau übermäßig großer Chips vermieden werden soll.

Zusammengenommen sollen die genannten Entwicklungsfortschritte im Jahr 2029 in dem Angebot IBM Quantum Starling gipfeln.