IBM hat erstmals zwei modulare kryogene Systeme zu einer gemeinsamen Betriebsumgebung verbunden und auf unter 15 Millikelvin heruntergekühlt. Die Architektur soll langfristig die Vernetzung hunderter Quantenchips ermöglichen. Damit schafft IBM eine technische Voraussetzung für größere, fehlertolerante Quantensysteme. Bis 2029 soll auf dieser Grundlage IBM Quantum Starling entstehen.
IBM hat zwei kryogene Module erfolgreich miteinander verbunden und in einer gemeinsamen Betriebsumgebung heruntergekühlt. Die neue Architektur ist darauf ausgelegt, künftig zu einem modularen ultrakalten System ausgebaut zu werden, in dem hunderte Quantenchips miteinander vernetzt werden können. Die Inbetriebnahme ist Teil der IBM Quantum Roadmap, die für 2029 die Bereitstellung von IBM Quantum Starling vorsieht.
Starling soll nach den Plänen des Unternehmens der weltweit erste fehlertolerante Quantencomputer werden. Dafür will IBM Fortschritte bei Fehlerkorrektur, Prozessordesign, Dekodierung und Systemtechnik zusammenführen. Die nun getesteten Kühlsysteme bilden einen Teil der dafür notwendigen technischen Infrastruktur.
Quelle: IBMDie beiden betriebsbereiten Module sind zusammen mehr als 2,4 Meter hoch und 2,4 Meter breit. In ersten Tests ließen sie sich innerhalb von weniger als fünf Tagen gemeinsam auf 4 Kelvin herunterkühlen. Kurz darauf erreichten sie eine Endtemperatur von weniger als 15 Millikelvin. Die Vakuumkammer jedes Moduls bietet nach Angaben von IBM bis zu zwölfmal mehr Platz für Verkabelung als frühere Quantensysteme des Unternehmens.
Dadurch sollen zusätzliche Chip-zu-Chip-Verbindungen innerhalb einzelner Module sowie zwischen mehreren Modulen möglich werden. Das kastenförmige Design erlaubt zudem eine dichte Anordnung der Einheiten.
L-Coupler verbinden separate Quantenchips
Für die direkte Verbindung der Quantenprozessoren setzt IBM auf seine sogenannte L-Coupler-Technologie. Die L-Coupler verknüpfen separate Quantenchips und ermöglichen ihnen, Informationen auszutauschen und als Bestandteil eines größeren Quantensystems zusammenzuarbeiten.
Gemäß der IBM Quantum Roadmap sollen auf diese Weise bis 2027 mehrere Prozessoren zu einem Quantencomputer mit mindestens 1.000 programmierbaren Qubits verbunden werden. Dabei handelt es sich um Qubits, die unmittelbar für Berechnungen eingesetzt werden können. Noch 2026 will IBM Quantum Nighthawk-Prozessoren in die kryogenen Module integrieren und deren Leistungsfähigkeit im Betrieb testen. Für Starling ist vorgesehen, dass jedes kryogene Modul Tausende Qubits aufnehmen kann.
Fehlerkorrektur als weitere Voraussetzung
Neben der Skalierung der Hardware spielt die Fehlerkorrektur eine zentrale Rolle in den Starling-Plänen. Grundlage ist ein von IBM im vergangenen Jahr vorgestellter Fehlerkorrekturcode, der die für Fehlertoleranz erforderlichen physischen Ressourcen erheblich reduzieren soll. Nach Unternehmensangaben wurden seitdem zentrale Hardwarekomponenten nachgewiesen und Fortschritte bei der effizienten Dekodierung von Fehlerkorrekturverfahren erzielt.
Jay Gambetta, Director of IBM Research und IBM Fellow, ordnet die Bedeutung der Entwicklung so ein:
„Die Entwicklung fehlertoleranter Quantencomputer für industrielle Anwendungen hängt von mehreren grundlegenden technologischen Fortschritten ab. Die erfolgreiche Verbindung und der Betrieb dieser kryogenen Module stellen einen bedeutenden Schritt nach vorn dar und werden unseren Fortschritt gemeinsam mit weiteren Innovationen in Quantenhardware, Software und Algorithmen beschleunigen.“
Modularer Aufbau soll Entwicklungszyklen verkürzen
IBM erwartet von der skalierbaren Architektur nicht nur Vorteile bei der späteren Größe der Quantensysteme. Die modularen Kühlsysteme sollen zugleich die Entwicklungszyklen der eigenen Quantencomputer verkürzen.
Drei wesentliche Komponenten aus der Umgebung von IBM Quantum System Two wurden bereits in die neue Architektur übernommen. Im modularen Aufbau können die einzelnen Komponenten laut IBM jedoch unabhängig voneinander getestet, verbessert und weiterentwickelt werden. Damit soll die Infrastruktur schrittweise mit der Entwicklung von Prozessoren und weiteren Komponenten wachsen können.
Die Verbindung der ersten beiden kryogenen Module markiert damit einen weiteren technischen Schritt innerhalb der Quantum Roadmap. Bis zum für 2029 vorgesehenen Starling-System müssen die modulare Kühlung, die Vernetzung zahlreicher Quantenchips und die Verfahren zur Fehlerkorrektur schließlich in einem gemeinsamen System zusammengeführt werden.
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