Zusammenfassung:
IBM hat kürzlich den Quantenprozessor Nighthawk r3 der neuen Generation veröffentlicht und seinen zukünftigen Entwicklungsplan für Quantencomputing angekündigt. Dieser neue Prozessor ist für die Ausführung von bis zu 10.000 Quantenoperationen ausgelegt und bewältigt komplexere, groß angelegte Rechenaufgaben bei gleichzeitiger Beibehaltung der Betriebsqualität und -geschwindigkeit. Dies stellt einen wichtigen Schritt in Richtung IBMs Ziel des fehlertoleranten Quantencomputings dar.
Nach Angaben von IBM wird Nighthawk r3 mit 520 programmierbaren Qubits und 2034 physikalischen Quantenkomponenten ausgestattet sein, mit dem Ziel, 10.000 Quantenoperationen stabil auf einem einzigen Prozessor auszuführen. Gleichzeitig plant IBM, im Jahr 2027 zwei Nighthawk r3-Prozessoren zu einem einheitlichen System zu verbinden, um eine Quantencomputing-Plattform mit mehr als 1.000 Qubits aufzubauen.
Jay Gambetta, Leiter von IBM Research, sagte, dass wirklich wertvolles Quantencomputing nicht nur Genauigkeit, sondern auch Geschwindigkeit erfordert. Da die Größe von Quantensystemen immer weiter zunimmt, kann Quantencomputing praktische Probleme in der realen Welt nur lösen, indem sowohl die Rechenqualität als auch die Verarbeitungseffizienz berücksichtigt werden.
Der diesmal veröffentlichte Nighthawk r3 basiert auf dem Nighthawk r2, der im September dieses Jahres auf den Markt kam. Der bisherige r2-Prozessor war in der Lage, mehr als 7.500 Quantenoperationen auf 120 Qubits durchzuführen und Verarbeitungskapazitäten von bis zu 100.000 Samples pro Sekunde zu erreichen. IBM glaubt, dass diese Plattform bewiesen hat, dass Quantencomputer das Potenzial haben, echte Branchenprobleme zu lösen.
Qubits sind die grundlegenden Informationseinheiten von Quantencomputern, ähnlich den „Bits“ in herkömmlichen Computern. Doch im Gegensatz zu herkömmlichen Bits, die nur 0 oder 1 darstellen können, können sich Qubits gleichzeitig in einem Überlagerungszustand von 0 und 1 befinden, was es Quantencomputern ermöglicht, extrem komplexe Rechenaufgaben parallel zu verarbeiten. Dies ist einer der Gründe, warum Quantencomputer als wichtiges Werkzeug zur Lösung künftiger Probleme in den Materialwissenschaften, der chemischen Simulation, der Arzneimittelentwicklung und -optimierung angesehen werden.
Eine der wichtigsten Neuerungen von Nighthawk r2 ist die Einführung einer Hochgeschwindigkeits-Qubit-Reset-Architektur. Beim herkömmlichen Quantencomputerprozess müssen die Qubits nach jeder Operation in den Grundzustand zurückkehren, bevor die nächste Berechnungsrunde gestartet werden kann. Dieser Vorgang kann Hunderte von Millisekunden dauern, sodass der Prozessor die meiste Zeit in einem Wartezustand verbringt.
Neue von IBM entwickelte Technologie hat diesen Warteprozess erheblich verkürzt. Berichten zufolge wurde die Qubit-Reset-Zeit von etwa 200 Millisekunden auf etwa 25 Nanosekunden verkürzt, ohne den Betrieb der umgebenden Qubits zu stören. Dadurch können Quantensysteme häufiger Berechnungen durchführen, was die Gesamteffizienz erheblich verbessert.
Basierend auf diesen technischen Errungenschaften plant IBM, die gleiche Architektur auf Nighthawk r3 zu erweitern und die Systemgröße und Rechenleistung weiter zu verbessern. Das Unternehmen geht davon aus, dass zukünftige Anwendungen Tausende oder sogar Zehntausende Quantenoperationen an Hunderten von Qubits durchführen und gleichzeitig Millionen oder sogar Milliarden von Berechnungsbeispielen generieren müssen, daher sind Geschwindigkeit und Skalierbarkeit unerlässlich.
Um das Ziel von mehr als 1.000 Qubits zu erreichen, demonstrierte IBM auch die neuesten Fortschritte in der Multi-Chip-Verbindungstechnologie. Anfang des Jahres nutzte das Forschungsteam erfolgreich vier Langstrecken-Quantenkoppler, um zwei Nighthawk r1-Prozessoren miteinander zu verbinden. Diese Quantenverbindungsstrukturen fungieren als „Hochgeschwindigkeitsbrücken“ zwischen Quantencomputern und ermöglichen die Zusammenarbeit mehrerer Prozessoren.
Experimentelle Daten zeigen, dass diese Quantenverbindung über große Entfernungen eine Informationsübertragungstreue von 99,4 % erreicht hat, was sich allmählich dem von IBM gesetzten Ziel von 99,9 % nähert. Sobald die entsprechende Technologie ausgereift ist, werden mehrere Quantenprozessoren in der Lage sein, ein größeres einheitliches Quantensystem zu bilden und so die Grenze der Einzelchip-Skalierung zu durchbrechen.
IBM gab außerdem bekannt, dass eine Reihe von Partnern und Kunden, darunter E.ON, Algorithmiq und Q-CTRL, derzeit mehr als 34 Milliarden Quantenschaltungen auf der Nighthawk r2-Plattform betreiben. In einigen Anwendungsszenarien konnte die Systemleistung im Vergleich zur bisherigen Quantenplattform von IBM um das bis zu 19-fache verbessert werden.
Im Hinblick auf praktische Anwendungen nutzt das Energieunternehmen E.ON Nighthawk r2, um quantenmechanische Lernforschung im Zusammenhang mit der Netzoptimierung durchzuführen und dabei eine etwa 15-fache Leistungsverbesserung zu erzielen. Das von IBM in Zusammenarbeit mit dem Oak Ridge National Laboratory in den USA durchgeführte Experiment zur Simulation magnetischer Materialien erreichte ebenfalls eine etwa zwölffache Leistungsbeschleunigung. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich Quantencomputer allmählich von der Laborforschung zu praktischen industriellen Anwendungen entwickeln.
Analysten glauben, dass die Veröffentlichung von Nighthawk r3 nicht nur eine weitere Leistungssteigerung der Quantenhardware von IBM darstellt, sondern, was noch wichtiger ist, dass sie einen Entwicklungspfad von Hunderten von Qubits zu einem System auf Tausend-Qubit-Ebene aufzeigt. Da Hochgeschwindigkeits-Reset-Architekturen, Multi-Chip-Quantenverbindungen und fehlertolerante Technologien immer ausgereifter werden, rückt das Quantencomputing der Lösung komplexer wissenschaftlicher und industrieller Probleme in der realen Welt immer näher.
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