Quantencomputer: IBM verzehnfacht Qubits in drei Jahren

Ab 2025 will IBM Quantencomputer mit mehr als 4000 Qubits bauen und bis dahin erste Ansätze für eine Fehlerkorrektur bei den Ergebnissen liefern.

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(Bild: Bartlomiej K. Wroblewski / Shutterstock.com)

Von
  • Mark Mantel

IBM will 2024 einen Quantencomputer mit mindestens 1386 Qubits in Betrieb nehmen, 2025 einen mit mindestens 4158 Qubits. Dafür setzt das Unternehmen auf Techniken, die etwa AMD, Intel und Nvidia auch bei klassischen Prozessoren und Grafikchips verwenden – allem voran Multi-Chip-Prozessoren.

Zunächst stehen wie geplant die beiden Quantenprozessoren Osprey mit 433 Qubits für das Jahr 2022 und Condor mit 1121 Qubits für 2023 an, die beide noch monolithisch aufgebaut sind. Aufgrund von Limitierungen bei der Fertigungstechnik lassen sich Chips aber nicht beliebig hochskalieren. Ab 2023 entwickelt IBM daher laut aktueller Planung Quantenprozessoren, die aus mehreren Chips bestehen.

IBMs Quantencomputer-Roadmap. Langfristig sollen Systeme mit Zehntausenden Qubits entstehen.

(Bild: IBM)

Den Anfang macht 2023 der Testballon Heron: Ein einzelner Quantenprozessor besteht aus 133 Qubits und kommuniziert "klassisch" über einen universellen Bus mit weiteren Heron-Quantenprozessoren. Dafür enthält jeder davon einen Controller, der die Ergebnisse durch die Quantenverschränkung in Bits umrechnet, anschließend über den Bus teilt und solche umgerechneten Ergebnisse auch von anderen Quantenprozessoren entgegennimmt.

Diese Herangehensweise ermöglicht sogenanntes Knitting, bei dem die Schaltkreise in kleinere Teile zerlegt werden, um die Rechenlast auf mehrere Prozessoren zu verteilen. Eine klassische CPU setzt die Ergebnisse am Ende zusammen.

Veranschaulichung, wie drei aneinandergekoppelte Heron-Quantenprozessoren mit integrierten Controllern zur Umwandlung der Daten funktionieren.

(Bild: IBM)

Im Jahr 2024 will IBM zunächst den Test-Quantenprozessor Crossbill mit 408 Qubits fertigen. Crossbill besteht aus drei Chips, die sich auf einem einzelnen Träger befinden, aber direkt aneinandergekoppelt sind und somit keinen Interconnect wie Heron benötigen.

Die Erfahrungen sollen dann in Flamingo einfließen, für den IBM voraussichtlich noch im Jahr 2024 aufgemotzte Crossbill-Prozessoren auflegt: Ein Flamingo-Quantenprozessor besteht aus mehreren Chips auf einem Träger mit insgesamt 462 Qubits und enthält einen Quantum Communication Link, mit dem IBM mindestens drei Flamingos aneinanderkoppeln will. Das ergäbe dann 1386 oder mehr Qubits.

IBM will mehrere Chips direkt aneinanderkoppeln, die sich so wie ein einziger Quantenprozessor verhalten.

(Bild: IBM)

Beim Quantum Communication Link entfällt die Umrechnung in Bits, was komplexere verteilte Berechnungen ermöglicht. IBM gibt allerdings auch zu, dass die Qualität der Ergebnisse unter dieser Verteilung zunächst leiden wird.

Im Jahr 2025 sollen die Erfahrungen mit Flamingo und Crossbill im Quantenprozessor Kookaburra münden, der einzeln 1386 Qubits erreicht und zusammen mit zwei weiteren Kookaburras über einen Quantum Communication Link ein 4158-Qubit-System ermöglicht.

Kookaburra skaliert die vorherigen Techniken nach oben, um ein System mit mehr als 4000 Qubits zu ermöglichen.

(Bild: IBM)

Parallel zur Skalierung zu Systemen mit immer mehr Qubits arbeitet IBM am heiligen Gral des Quantencomputings: der Fehlerkorrektur. Qubits verkörpern durch die gegenseitige Verschränkung viele Zustände gleichzeitig, können unter anderem aufgrund von Umwelteinflüssen aber fehlerhafte Ergebnisse liefern, die sich bis dato noch nicht zufriedenstellend entdecken und korrigieren lassen.

Als erste Grundsteine will IBM mit der Flamingo-Generation, also ab 2024, eine bessere Fehlerminderung und -unterdrückung einführen. Auf deren Basis soll irgendwann ab 2026 eine richtige Fehlerkorrektur folgen.

Quantencomputer sollen in den Folgejahren schließlich 10.000 bis 100.000 Qubits erreichen – dann mit Systemen, die Quanten-Links und klassische Interconnects mit herkömmlichen CPUs kombinieren. Ein System wäre dann in etwa so aufgebaut wie ein x86-Server mit mehreren Multi-Chip-Prozessoren auf einem Mainboard, die per Quanten-Link miteinander kommunizieren und per Interconnect mit weiteren Mainboards verbunden sind.

(mma)