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100-Qubit-Grenze durchbrochen: IBM läutet die Quantenzukunft ein

2019 stellte Big Blue mit „IBM Quantum System One“ Europas erstes integriertes Quantencomputersystem vor, in dem der Quantenprozessor Falcon zum Einsatz kommt. Nach weiteren Meilensteinen hat Quantum „Eagle“ nun als erster von ihnen die Grenze von 100 Qubits durchbrochen. Was ist der Stand in puncto Quantencomputer und wo geht die Reise hin?

Im November des vergangenen Jahres hat IBM mit Quantum „Eagle“ seinen ersten Quantenprozessor mit einer Rechenleistung von mehr als 100 Qubits präsentiert. Und während der Adler mit 127 Qubits den Vorgänger „Hummingbird“ mit 65 Qubits ablöst, stehen die zwei nächsten Quantenvögel schon bereit: „Osprey“ soll bereits im Jahr 2022 über 433 Qubits verfügen und „Condor“ soll 2023 mit 1.121 Qubits für neue Maßstäbe sorgen.

Dabei handelt es sich bei Eagle um einen echten Quantensprung: Der Prozessor läutet den Punkt in der Hardwareentwicklung ein, an dem Quantenschaltungen auf einem klassischen Computer nicht mehr zuverlässig simuliert werden können. Denn laut IBM „übersteigt die Anzahl der erforderlichen klassischen Bits, um einen Zustand auf dem 127-Qubit-Prozessor darzustellen, die Gesamtzahl der Atome der mehr als 7,5 Milliarden Menschen.“

Was ist ein Qubit? Und was können sie berechnen?

Ein Qubit ist ein Zweizustands-Quantensystem, das nur durch die Quantenmechanik korrekt beschrieben wird. Es besitzt nur zwei Zustände, die durch eine Messung unterscheidbar sind. Die Quanteninformatik macht sich diese Zustände auf subatomarer Ebene zunutze. Dabei ist die grundlegende Recheneinheit ein Quantenschaltkreis, also eine Anordnung von Qubits zu Quantengattern. Je mehr Qubits ein Quantenprozessor besitzt, desto komplexer und wertvoller sind die Quantenschaltungen, die er ausführen kann.

Die neuen Techniken, die in Eagle zum Einsatz kommen, platzieren diese Steuerverdrahtung auf mehreren physikalischen Ebenen innerhalb des Prozessors, während die Qubits auf einer einzigen Ebene verbleiben, was eine signifikante Erhöhung eben dieser ermöglicht.

Das soll es Nutzern ermöglichen, Probleme auf einem neuen Komplexitätsniveau zu erforschen – z. B. bei der Optimierung des maschinellen Lernens oder der Modellierung neuer Moleküle und Materialien für den Einsatz in Bereichen, die von der Energiewirtschaft bis zur Arzneimittelentwicklung reichen.

Wie wird der Quantenfortschritt gemessen?

IBM misst den Fortschritt bei Quantencomputer-Hardware anhand von drei Leistungsmerkmalen: Skalierung, Qualität und Geschwindigkeit.

  • Die Skalierung wird anhand der Anzahl der Qubits auf einem Quantenprozessor gemessen und bestimmt, wie groß ein Quantenschaltkreis sein kann.

  • Die Qualität wird anhand des Quantenvolumens gemessen und beschreibt, wie genau Quantenschaltungen auf einem echten Quantengerät laufen.

  • Die Geschwindigkeit wird durch CLOPS (Circuit Layer Operations Per Second) gemessen – eine Kennzahl, die IBM im November 2021 eingeführt hat und die die Durchführbarkeit realer Berechnungen aus einer großen Anzahl von Quantenschaltungen erfasst.

Die Entwicklungs-Roadmap von IBM Quantum (Quelle: IBM)

IBM Quantum Two: Wo geht die Quantenreise hin?

Nachdem auf den Falcon mit bis zu bis zu 27 Qubits der größere Hummingbird mit bis zu 65 Qubites folgte, soll die nächste Generation im neuen Quantencomputer „IBM Quantum System Two“ eingesetzt werden. Dieser ist für den Einsatz von zukünftigen 433-Qubit- und 1.121-Qubit-Prozessoren von IBM konzipiert.

Im Mittelpunkt steht dabei das Konzept der Modularität: Da IBM mit seiner Hardware-Roadmap voranschreitet und Prozessoren mit einer größeren Anzahl von Qubits baut, muss die Steuerhardware über die notwendige Flexibilität und Ressourcen verfügen, um zu skalieren. So soll das Design des IBM Quantum System Two eine neue Generation skalierbarer Qubit-Steuerelektronik zusammen mit kryogenen Komponenten und Kabeln höherer Dichte umfassen. Der Prototyp wird voraussichtlich im Jahr 2023 einsatzbereit sein.

Fehlertoleranter Quantencomputer scheint möglich

Klar: Das Durchbrechen der 100-Qubit-Grenze ist eine unglaubliche Leistung des IBM Quantum-Teams. Klar ist auch, dass Quantencomputer das Potenzial haben, nahezu jeden Sektor zu verändern und uns dabei zu helfen, die größten Probleme unserer Zeit anzugehen.

Das größte Hindernis bleibt die Notwendigkeit, die heute kaum zu vermeidenden Fehler der Qubits zu korrigieren, die durch die Wechselwirkung mit der Umgebung und der daraus resultierenden Dekohärenz entstehen. Dabei handelt es sich um eine unvollständige oder vollständige Unterdrückung der Kohärenzeigenschaften quantenmechanischer Zustände.

Laut IBM steht man vor einigen der größten Herausforderungen in der Geschichte des technischen Fortschritts. Aber die Vision bleibt klar: Die Entwicklung eines fehlertoleranten Quantencomputers scheint ein erreichbares Ziel innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu sein.

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