Das IBM-Quantum-Datacenter in Poughkeepsie Quantum Starling wird ein hochskalierender, fehler­toleranter Quantencomputer

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Mit einem neuen neuem Quantum Datacenter in Poughkeepsie, New York, will IBM endgültig die Weichen für einen ersten hochskalierenden, fehlertoleranten Quantencomputer stellen: „Quantum Starling“. Die aktuelle Roadmap zeigt einen gangbaren Weg zu einem System auf, das voraussichtlich 20.000-mal mehr Operationen ausführen kann als heutige Quantencomputer.

Aktuell wäre, um den Rechenstatus von IBM Starling darzustellen, ein Speicher von mehr als einer Oktillion (10^48) der leistungsstärksten Supercomputer der Welt erforderlich. Dennoch will IBM mit dem neuen Rechenzentrum für Quantencomputer die Voraussetzungen dafür geschaffen haben. IBM Quantum Starling soll bis 2029 verfügbar sein und in Poughkeepsie (New York) gebaut werden.

Er soll voraussichtlich 20.000-mal mehr Operationen ausführen können als heutige Quantencomputer. Mit Starling werden Nutzer in der Lage sein, etwa die Komplexität und Reichhaltigkeit seiner Quantenzustände zu erforschen. Ein 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 soll in der Lage sein, auf die für derartige Herausforderungen erforderliche Rechenleistung zuzugreifen, indem er 100 Millionen Quantenoperationen mit 200 logischen Qubits ausführt. Das wird die Grundlage für „IBM Quantum Blue Jay“ sein: Dieses System soll wird in der Lage sein, 1 Milliarde Quantenoperationen über 2.000 logische Qubits auszuführen.

Zur Erklärung: 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.

Im DataCenter-Diaries-Podcast #45 „Matthias Reidans: Was darf die Welt 2025 im Quantencomputing erwarten?“ nehmen Ulrike Ostler und Matthias Reidans von Rosenberger OSI auch Neulinge mit in die Welt der Verschränkung und der Superposition.

Sie ergründen den tatsächlichen Stand der Entwicklung und erste Anwendungsbeispiele sowie Potenziale der Quantensensorik und einer quantensicheren Kommunikationstechnik, aber auch Gefahren wie den Wettlauf mit Cyber-Kriminellen.

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Tatsächlich hat ein Freund bei Nokia mir das geschickt und zwar am Tag nach unserem Podcast ☺️☝🏻 Totgesagte leben länger 🤩 allen, die den Podcast hören sei gesagt, das hatte ich tatsächlich nicht auf dem Radar, nachdem Microsoft ja eine Entscheidung getroffen hatte -für Ben Bloom eben. Also Hut ab 🙏🏻 vor den Nokia Bell Labs - 🥼 Never underestimate the power of innovation." .“ )

IBM betreibt bereits eine große, weltweite Flotte von Quantencomputern und veröffentlicht jetzt eine weitere Roadmap, welche die Pläne des Unternehmens für die Entwicklung eines leistungsfähigen, fehlertoleranten Quantencomputers skizziert (siehe: unten). Dazu sagt Arvind Krishna, Chairman und CEO von IBM: „IBM beschreitet neue Wege im Quantencomputing. 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.“

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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, so dass eine größere Anzahl von Operationen ausgeführt werden kann.

Somit ist zum einen von entscheidender Bedeutung für ein skalierbares Quantencomputing 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.

Zum anderen hängt die erfolgreiche Ausführung einer effizienten fehlertoleranten Architektur von der Wahl des Fehlerkorrekturcodes ab und davon, wie das System konzipiert und erstellt wird, um die Skalierung dieses Codes zu ermöglichen. Alternative und frühere Goldstandard-Fehlerkorrekturcodes stellen grundlegende technische Herausforderungen dar.

Der Weg zu hochskalierenden fehlertoleranten Systemen

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 ist es unwahrscheinlich, dass sie über kleine Experimente und Systeme hinaus umgesetzt werden können.

Gestern hat IBM zwei neue Fachbeiträge (Paper) vor, in denen detailliert beschrieben wird, wie das Unternehmen die oben genannten Kriterien (siehe: Kasten) erfüllen will, um den Aufbau einer hochskalierenden, fehlertoleranten Architektur zu ermöglichen. Das erste Paper legt dar, wie ein solches System Anweisungen verarbeitet und Vorgänge mit qLDPC-Codes effektiv ausführt. Diese Arbeit baut auf einem wegweisenden Ansatz zur Fehlerkorrektur auf, der auf dem Cover von „Nature“ stand, und der Quantencodes für die Paritätsprüfung mit geringer Dichte (qLDPC) vorstellte.

Dieser Code reduziert die Anzahl der für die Fehlerkorrektur benötigten physischen Qubits erheblich und senkt im Vergleich zu anderen führenden Codes den erforderlichen Aufwand um etwa 90 Prozent. Darüber hinaus werden die Ressourcen benannt, die für die zuverlässige Ausführung hochskalierender Quantenprogramme erforderlich sind, um die Effizienz einer solchen Architektur gegenüber anderen zu belegen.

Das zweite Paper beschreibt, wie die Informationen aus den physischen Qubits effizient dekodiert werden können. Er weist einen Weg auf, wie Fehler mit herkömmlichen Computerressourcen in Echtzeit identifiziert und korrigiert werden können.

Von der Roadmap zur Realität

Die aktuelle 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, wird der erste modulare Prozessor von IBM sein, der zum Speichern und Verarbeiten verschlüsselter Informationen entwickelt wurde. Er wird Quantenspeicher mit logischen Operationen kombinieren – dem grundlegenden Baustein für die Skalierung fehlertoleranter Systeme über einen einzelnen Chip hinaus.

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

Zusammengenommen sollen diese Entwicklungsfortschritte im Jahr 2029 in IBM Quantum Starling gipfeln.

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