Manches früher als geplant - Elemente für ein fehlertolerantes Quantencomputing IBM-Prozessoren, -Software und Algorithmen bringen Quantum Advantages in Sichtweite

Es ist nicht nur eine Ankündigung, die IBM aus seinem Quantecomputing-Köcher abfeuern kann: komplexere Schaltkreise auf dem Chip, Experimente, deren Ergebnisse mit denen führender klassischer Simulationsmethoden vergleichbar sind, Steigerung der Genauigkeit, Senkung der Kosten, effizientere Quantenfehlerkorrektur-Decodierung und Verdopplung der Entwicklungsgeschwindigkeit.

Auf der jährlichen „IBM Quantum Developer Conference“ stellt IBM heute grundlegende Fortschritte auf seinem Weg zur Realisierung des Quantenvorteils bis Ende 2026 und des fehlertoleranten Quantencomputings bis 2029 vor. Dazu gehören:

• IBM Quantum Nighthawk: Der für Quantenvorteile entwickelte Prozessor liefert 30 Prozent komplexere Schaltkreise.

• Zusammen mit Partnern trägt IBM drei Experimente zum offenen Community 'Advantage Tracker' bei, deren Ergebnisse mit denen führender klassischer Simulationsmethoden vergleichbar sind.

• Neue Funktionen zeigen eine 24-prozentige Steigerung der Genauigkeit bei dynamischen Schaltkreisen

• und eine mehr als 100-fache Senkung der Kosten für die Gewinnung genauer Ergebnisse durch HPC-gestützte Fehlerbehebung.

• „IBM Quantum Loon“ demonstriert alle Hardware-Elemente des fehlertoleranten Quantencomputing

• Eine Quantenfehlerkorrektur-Decodierung mit 10-facher Beschleunigung gegenüber derzeit führenden Ansätzen – ein Jahr vor dem geplanten Termin abgeschlossen.

• Die Verdopplung der Entwicklungsgeschwindigkeit durch die Umstellung auf eine 300-Nanometer-Wafer-Fertigungsanlage.

• Das steigert gleichzeitig die Komplexität der Quantenchips um das Zehnfache für die Roadmap zur fehlertoleranten Fehlerkorrektur.

Jay Gambetta, Director of IBM Research und IBM Fellow, zeigt sich begeistert: „Es gibt viele Säulen, um wirklich nützliches Quantencomputing in die Welt zu bringen.“ Doch IBM sei das einzige Unternehmen, das in der Lage ist, Quanten-Software, -Hardware, -Fertigung und -Fehlerkorrektur schnell zu entwickeln und zu skalieren, um transformative Anwendungen zu ermöglichen. „Wir freuen uns sehr, heute viele dieser Meilensteine bekannt zu geben.“

IBM-Quantencomputer für skalierbare Vorteile

IBM Quantum Nighthawk ist der bislang fortschrittlichsten Quantenprozessor. Seine Architektur ist bereits auf Quantensoftware abgestimmt, um im kommenden Jahr Quantenvorteile erzielen zu können: den Punkt, an dem ein Quantencomputer ein Problem besser lösen kann als alle rein klassischen Methoden.

Quantum-Ambassador Jan-Rainer Lahmann im Gespräch

IBM: Quantenvorteil noch 2026, fehlertoleranter Quantenchip bis 2029

IBM Quantum Nighthawk soll bis Ende 2025 an IBM-Anwender ausgeliefert werden und bietet:

• 120 Qubits, die mit 218 abstimmbaren Kopplern der nächsten Generation mit ihren vier nächsten Nachbarn in einem quadratischen Gitter verbunden sind, was einer Steigerung von über 20 Prozent mehr Kopplern im Vergleich zu „IBM Quantum Heron“ entspricht, der aktuellen Quantum Processor Unit (QPU) von IBM.

• Diese verbesserte Qubit-Konnektivität ermöglicht es Anwendern, Schaltkreise mit einer um 30 Prozent höheren Komplexität als auf dem bisherigen Prozessor von IBM auszuführen und dabei niedrige Fehlerraten beizubehalten.

• Die Architektur ermöglicht es Anwendern, rechnerisch anspruchsvollere Probleme zu untersuchen, die bis zu 5.000 Zwei-Qubit-Gates erfordern, die grundlegenden Verschränkungsoperationen, die für Quantenberechnungen entscheidend sind. Ein solches Problem könnte beispielsweise darin bestehen, die Grundzustandsenergie eines Moleküls zu ermitteln, um wichtige Erkenntnisse über dessen Innenleben zu gewinnen.

IBM geht davon aus, dass zukünftige Versionen von IBM Quantum Nighthawk bis Ende 2026 bis zu 7.500 Gates und bis 2027 bis zu 10.000 Gates liefern werden. Bis 2028 könnten Nighthawk-basierte Systeme bis zu 15.000 Zwei-Qubit-Gates unterstützen, die durch 1.000 oder mehr verbundene Qubits ermöglicht werden, die durch Langstreckenkoppler erweitert werden, die erstmals im letzten Jahr auf experimentellen Prozessoren von IBM demonstriert wurden.

Die Zusammenarbeit mit Partnern

Auf dieser Grundlage hat IBM bereits angekündigt, dass die ersten Fälle von nachgewiesenen Quantenvorteilen bis Ende 2026 von der breiteren Fachwelt bestätigt werden. Um die Validierung zu fördern und die besten quanten- und klassischen Ansätze voranzutreiben, tragen IBM, Algorithmiq und Blue Qubit neue Ergebnisse zu einem offenen, von der Fachwelt geführten Quantenvorteils-Tracker auf „Github“ bei, um neue Demonstrationen von Vorteilen systematisch zu überwachen und zu überprüfen. Diese können hier eingesehen werden.

Heute unterstützt der Community-Tracker drei Experimente zum Quantenvorteil in den Bereichen: beobachtbare Schätzung, Variationsprobleme und Probleme mit effizienter klassischer Verifizierung. Im Laufe des kommenden Jahres ermutigt IBM die Community, zum Tracker beizutragen und einen Austausch mit den besten klassischen Methoden zu fördern.

Um einen verifizierten Quantenvorteil auf der Quantenhardware zu erzielen, müssen Entwickler in der Lage sein, ihre Schaltkreise genau zu steuern und leistungsstarke klassische Computer (HPC) einzusetzen, um die bei der Berechnung auftretenden Fehler zu minimieren. Dafür gibt IBM Entwicklern mehr Kontrolle als je zuvor, indem es die dynamischen Schaltkreisfunktionen skaliert, die eine Genauigkeitssteigerung von 24 Prozent bei einer Größe von über 100 Qubits ermöglichen.

IBM erweitert das Tool „Qiskit“ außerdem um ein neues Ausführungsmodell, das eine fein abgestufte Steuerung und eine C-API ermöglicht und HPC-beschleunigte Fehlerminderungsfunktionen freischaltet, die die Kosten für die Gewinnung genauer Ergebnisse um mehr als das 100-fache senken.

Qiskit ist ein von IBM entwickeltes Open-Source-Software-Framework für Quantencomputing, Es ermöglicht, Quantenprogramme zu erstellen, zu simulieren und auf echten Quantencomputern auszuführen, sofern Zugang zu den entsprechenden Systemen besteht. Die Software lässt sich also nutzen, um Quantenalgorithmen zu entwickeln, Quantenprozesse auf klassischen Rechnern zu simulieren, über die Cloud Quantenjobs auf IBM-Quantenhardware auszuführen und experimentelle Forschung in Bereichen wie Optimierung, Kryptografie oder Quantenchemie zu betreiben.

Das kann etwa in Python so aussehen:

Dieser kleine Schaltkreis setzt ein Qubit in eine Superposition und misst es anschließend.

Mit der zunehmenden Reife von Quantencomputern erweitert sich die globale Quanten-Community auf HPC- und wissenschaftliche Communities. IBM stellt nun eine C++-Schnittstelle zu Qiskit bereit, die auf einer C-API basiert und es Benutzern ermöglicht, Quanten nativ in bestehenden HPC-Umgebungen zu programmieren. Bis 2027 plant IBM, Qiskit um Rechenbibliotheken in Bereichen wie Maschinelles Lernen und Optimierung zu erweitern, um grundlegende physikalische und chemische Herausforderungen wie Differentialgleichungen und Hamilton-Simulationen besser lösen zu können.

IBM liefert Bausteine für fehlertolerantes Quantencomputing

Parallel dazu erreicht IBM rasch Meilensteine auf dem Weg zum Bau des weltweit ersten großen fehlertoleranten Quantencomputers bis 2029. So kündigt das Unternehmen IBM Quantum Loon an, einen experimentellen Prozessor, der zum ersten Mal zeig en soll, dass IBM alle wichtigen Prozessorkomponenten demonstriert hat, die für fehlertolerantes Quantencomputing erforderlich sind.

Loon könne eine neue Architektur zur Implementierung und Skalierung der Komponenten validieren, die für eine praktische, hocheffiziente Quantenfehlerkorrektur erforderlich sind, heißt es. IBM hat bereits bahnbrechenden Funktionen von Loon demonstriert.

Darunter zählt die Einführung mehrerer hochwertiger Routing-Schichten mit geringen Verlusten, die Wege für längere On-Chip-Verbindungen (oder „C-Koppler“) bieten. Diese gehen über die Koppler der nächsten Nachbarn hinaus und erreichen entfernte Qubits auf demselben Chip, verbinden diese also physisch miteinander. Außerdem zählt IBM Technologien zum Zurücksetzen von Qubits zwischen Berechnungen dazu.

Früher als geplant

Einen weiteren Meilenstein erreicht IBM im Bereich des fehlertoleranten Quantencomputing Nach eigenen Angaben ist es möglich, mit klassischer Computerhardware Fehler mithilfe von qLDPC-Codes in Echtzeit (in weniger als 480 Nanosekunden) genau zu entschlüsseln. Diese quantum Low-Density Parity-Check Codes sind Fehlerkorrekturverfahren für Quantencomputer, die auf dem Prinzip klassischer LDPC-Codes basieren, aber für die Anforderungen der Quanteninformation angepasst sind.

Notwendig sind diese, weil Quantenbits (Qubits) extrem störanfällig sind. Schon minimale Umwelteinflüsse führen zu Dekohärenz oder Bit-/Phasenfehlern. Deshalb benötigt jeder skalierbare Quantencomputer ein robustes Fehlerkorrekturschema. Klassische Fehlerkorrektur funktioniert jedoch nicht direkt, da ein Qubit nicht kopiert werden kann (No-Cloning-Theorem).

Die qLDPC-Codes nutzen sparsame (low-density) Paritätsbeziehungen zwischen Qubits. Dabei wird die Struktur so gewählt, dass Fehler lokal identifizierbar sind. Sie können gleichzeitig Bitfehler (X) und Phasenfehler (Z) korrigieren. zugleich sind sie so konstruiert, dass die Kontrollmessungen nur wenige Qubits gleichzeitig betreffen. Das reduziert die Hardwarekomplexität.

Lange Zeit galten qLDPC-Codes als theoretisch interessant, aber praktisch schwer implementierbar. Doch seit 2021/2022 gibt es konkrete Konstruktionen, die konstante Distanzwachstumsraten erlauben.

Zusammen mit Loon demonstriert dies die Eckpfeiler, die erforderlich sind, um die qLDPC-Codes auf hochgeschwindigkeitsfähigen, hochpräzisen supraleitenden Qubits zu skalieren, die den Kern der IBM-Quantencomputer bilden.

Fertigung auf 300-mm-Anlagen

Um die Entwicklung von QPUs schneller und kostengünstiger gestalten zu können, skaliert IBM die Fertigung auf 300-mm-Anlagen; das beschleunigt die Entwicklung von Quanten-Wafern. Die primäre Fertigung seiner Quantenprozessor-Wafer erfolgt in der Fertigungsanlage des 'Albany NanoTech Complex' in New York.

IBM verweist auf „modernste Halbleiterwerkzeuge und Always-On-Funktionen“ in dieser Einrichtung. Sie hätten bereits die Geschwindigkeit beschleunigt, mit der das Unternehmen aus den Fähigkeiten seiner Quantenprozessoren lernen, diese verbessern und erweitern kann. Dazu zählt:

• die Geschwindigkeit der Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zu verdoppeln, indem IBM die Zeit für die Herstellung jedes neuen Prozessors um mindestens die Hälfte verkürzt hat;

• die Komplexität seiner Quantenchips um das Zehnfache zu steigern und die parallele Erforschung und Untersuchung mehrerer Designs zu ermöglichen.

IBM baut seine Quantenprozessor-Pipeline weiter aus, wodurch sich die Geschwindigkeit erhöht, mit der die in Albany hergestellten 300-mm-Quanten-Wafer in Quantenprozessoren umgewandelt werden können, die schließlich getestet und in Systemen eingesetzt werden können. Dieses Labor wird die Fähigkeit von IBM stärken, Wafer schnell in Chips umzuwandeln und die letzten Phasen der Verarbeitung, Montage und Prüfung zu beschleunigen.

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