Diese Woche IBM kündigte an ein Paar glänzender neuer Quantencomputer.

Der Condor-Prozessor des Unternehmens ist der erste Quantenchip seiner Art mit über 1,000 Qubits, eine Leistung, die noch vor wenigen Jahren für große Schlagzeilen gesorgt hätte. Aber Anfang dieses Jahres hat ein Startup, Atom Computing stellte einen 1,180-Qubit-Quantencomputer vor einen anderen Ansatz verwenden. Und obwohl IBM sagt, dass Condor beweist, dass es zuverlässig qualitativ hochwertige Qubits in großem Maßstab produzieren kann, wird es wahrscheinlich bis irgendwann im nächsten Jahrzehnt der größte Einzelchip sein, den das Unternehmen herstellt.

Anstatt die Anzahl der auf jedem Chip vollgestopften Qubits zu erhöhen, wird sich IBM darauf konzentrieren, das Beste aus den vorhandenen Qubits herauszuholen. In dieser Hinsicht ist der zweite angekündigte Chip, Heron, die Zukunft.

Obwohl Heron weniger Qubits als Condor hat – nur 133 – ist es deutlich schneller und weniger fehleranfällig. Das Unternehmen plant, mehrere dieser kleineren Chips zu immer leistungsfähigeren Systemen zu kombinieren, ähnlich wie die Multicore-Prozessoren, die Smartphones antreiben. Das erste davon, System Two, das ebenfalls diese Woche angekündigt wurde, enthält drei miteinander verbundene Condor-Chips.

IBM hat auch seine aktualisiert Quantenfahrplan, eine Zeitleiste der wichtigsten technischen Meilensteine, bis 2033. Insbesondere strebt das Unternehmen die Fertigstellung eines fehlertoleranten Quantencomputers bis 2029 an. Die Maschine wird nicht groß genug sein, um komplexe Quantenalgorithmen wie erwartet auszuführen Eines Tages wird die Standardverschlüsselung unterbrochen. Dennoch ist es ein mutiges Versprechen.

Quantenkorrektur

Praktische Quantencomputer werden in der Lage sein, Probleme zu lösen, die mit klassischen Computern nicht gelöst werden können. Doch die heutigen Systeme sind viel zu klein und fehlerbehaftet, um diesen Traum zu verwirklichen. Um dorthin zu gelangen, arbeiten Ingenieure an einer Lösung namens Fehlerkorrektur.

Ein Qubit ist die Grundeinheit eines Quantencomputers. In Ihrem Laptop ist die grundlegende Informationseinheit eine 1 oder 0, dargestellt durch einen Transistor, der entweder ein- oder ausgeschaltet ist. In einem Quantencomputer ist die Informationseinheit 1, 0 oder – dank der Quantenverrücktheit – eine Kombination aus beiden. Die physikalische Komponente kann ein Atom, ein Elektron oder eine winzige supraleitende Drahtschleife sein.

IBM entscheidet sich für Letzteres und stellt seine Quantencomputer her, indem es Drahtschleifen oder Transmonen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlt und sie in Quantenzustände versetzt. Hier ist das Problem. Qubits sind unglaublich fragil und fallen während einer Berechnung leicht aus diesen Quantenzuständen heraus. Dies führt zu Fehlern, die die heutigen Maschinen unzuverlässig machen.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, Fehler zu minimieren. IBM hat hier Fortschritte gemacht. Heron verwendet neue Hardware, um die Geschwindigkeit, mit der das System Paare von Qubits in Quantenzustände versetzt – ein Vorgang, der als „Gate“ bekannt ist – erheblich zu beschleunigen. Dadurch wird die Anzahl der Fehler begrenzt, die auftreten und sich auf benachbarte Qubits ausbreiten (Forscher nennen dies „Crosstalk“). ).

„Es ist ein wunderschönes Gerät“, Gambetta sagte Ars Technica. „Es ist fünfmal besser als die Vorgängergeräte, die Fehler sind viel geringer und Übersprechen kann nicht wirklich gemessen werden.“

Aber man kann Fehler nicht völlig ausschließen. Auch in Zukunft wird Redundanz von zentraler Bedeutung sein.

Durch die Verteilung von Informationen zwischen einer Gruppe von Qubits können Sie die Auswirkungen eines einzelnen Fehlers reduzieren und außerdem nach Fehlern in der Gruppe suchen und diese korrigieren. Da mehrere physikalische Qubits erforderlich sind, um eines dieser fehlerkorrigierten „logischen Qubits“ zu bilden, benötigt man sehr viele davon, um nützliche Berechnungen durchzuführen. Deshalb kommt es auf die Größe an.

Auch Software kann helfen. IBM setzt bereits eine Anfang des Jahres angekündigte Technik namens Fehlerminderung ein, bei der wahrscheinliche Fehler simuliert und aus den Berechnungen abgezogen werden. Sie haben auch eine identifiziert Methode zur Fehlerkorrektur, die die Anzahl der physischen Qubits in einem logischen Qubit reduziert um fast eine Größenordnung. All dies erfordert jedoch fortschrittliche Formen der Konnektivität zwischen Qubits, was die größte Herausforderung der Zukunft sein könnte.

„Man muss sie miteinander verbinden“, sagt Dario Gil, Senior Vice President und Forschungsdirektor bei IBM. sagte Reuters. „Man muss viele dieser Dinge gemeinsam tun, um es praktisch umzusetzen. Denn wenn nicht, ist es nur eine Papierübung.“

On the Road

Etwas, das IBM in der Branche einzigartig macht, ist die Veröffentlichung einer Roadmap, die ein Jahrzehnt in die Zukunft blickt.

Das mag riskant erscheinen, aber bis heute sind sie dabei geblieben. Neben den Neuigkeiten zu Condor und Heron veröffentlichte IBM auch eine aktualisierte Version seiner Roadmap.

Nächstes Jahr werden sie eine aktualisierte Version von Heron herausbringen, die 5,000 Gate-Operationen durchführen kann. Nach Heron kommt Flamingo. Sie werden sieben dieser Flamingo-Chips zu einem einzigen System mit über 1,000 Qubits verbinden. Sie planen außerdem, die Gate-Anzahl von Flamingo um etwa 50 Prozent pro Jahr zu erhöhen, bis sie im Jahr 15,000 2028 erreicht. Parallel dazu wird das Unternehmen an der Fehlerkorrektur arbeiten, angefangen beim Speicher bis hin zu Kommunikation und Gates.

All dies wird im Jahr 200 in einem fehlertoleranten 2029-Qubit-Chip namens Starling und einem Sprung bei den Gate-Operationen auf 100 Millionen gipfeln. Im Jahr 2033 wird der Star dem größeren Blue Jay weichen.

Heisenbergs Pferderennen

Auch wenn IBM am offensten mit ihnen umgeht, ist es mit seinen Ambitionen nicht allein.

Google verfolgt die gleiche Art von Quantencomputern und konzentriert sich seit einigen Jahren auf Fehlerkorrektur über Skalierung. Dann gibt es noch ganz andere Arten von Quantencomputern – einige verwenden geladene Ionen als Qubits, während andere Photonen, Elektronen oder, wie beim Atom Computing, neutrale Atome verwenden. Jeder Ansatz hat seine Nachteile.

„Wenn es darauf ankommt, gibt es einen einfachen Satz von Metriken, mit denen man die Leistung der Quantenprozessoren vergleichen kann“, sagt Jerry Chow, Direktor für Quantensysteme bei IBM. Sagte die Rand. „Es kommt auf die Größe an: Wie viele Qubits kann man erreichen und zuverlässig bauen? Qualität: Wie lange leben diese Qubits, damit Sie Operationen und Berechnungen durchführen können? Und Geschwindigkeit: Wie schnell kann man mit diesen Quantenprozessoren tatsächlich Ausführungen und Probleme ausführen?“

Atom Computing bevorzugt neutrale Atome, weil sie identisch sind – wodurch die Möglichkeit von Herstellungsfehlern ausgeschlossen ist –, drahtlos gesteuert werden können und bei Raumtemperatur funktionieren. Chow stimmt zu, dass im Raum der Kernatome interessante Dinge passieren, aber die Geschwindigkeit ist ein Nachteil. „Auf diese Geschwindigkeit kommt es an“, sagte er. „Jedes Mal, wenn Sie diese tatsächlichen atomaren Gegenstände haben, entweder ein Ion oder ein Atom, schaden Ihnen Ihre Taktraten am Ende.“

Die Wahrheit ist, dass das Rennen noch nicht gewonnen ist und es auch noch eine Weile nicht sein wird. Neue Fortschritte oder unvorhergesehene Herausforderungen könnten die Landschaft verändern. Aber Chow sagte, das Vertrauen des Unternehmens in seinen Ansatz erlaube ihm, zehn Jahre in die Zukunft zu blicken.

„Und für mich geht es eher darum, dass es innerhalb dieser zehn Jahre Innovationen geben wird, die sich weiter verstärken werden, was es mit der Zeit vielleicht noch attraktiver machen wird. Und das liegt in der Natur der Technologie“, sagte er.

Bild-Kredit: IBM

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/12/06/ibm-is-planning-to-build-its-first-fault-tolerant-quantum-computer-by-2029/