IBM verspricht 1000-.Qubit-Quantencomputer – ein Meilenstein bis 2023

Seit 20 Jahren sagen Wissenschaftler und Ingenieure, dass sie „eines Tages“ einen vollwertigen Quantencomputer bauen werden, der in der Lage ist, nützliche Berechnungen durchzuführen, die jeden herkömmlichen Supercomputer überfordern würden. Aber aktuelle Maschinen enthalten nur ein paar Dutzend Quantenbits, oder Qubits, zu wenig, um irgendetwas Erstaunliches zu leisten. Heute hat IBM seine Bestrebungen konkretisiert, indem es öffentlich eine „Roadmap“ für die Entwicklung seiner Quantencomputer ankündigte, einschließlich des ehrgeizigen Ziels, bis 2023 einen Computer mit 1000 Qubits zu bauen. Der derzeit größte Quantencomputer von IBM, der diesen Monat enthüllt wurde, enthält 65 Qubits.

„Wir sind sehr aufgeregt“, sagt Prineha Narang, Mitbegründerin und Chief Technology Officer von Aliro Quantum, einem Startup, das sich auf Code spezialisiert hat, mit dessen Hilfe Software auf höherer Ebene effizient auf verschiedenen Quantencomputern läuft. „Wir kannten die spezifischen Meilensteine und Zahlen, die sie angekündigt haben, nicht“, sagt sie. Der Plan sieht vor, in den Jahren 2021 und 2022 Maschinen mittlerer Größe mit 127 bzw. 433 Qubits zu bauen und zu einem unbestimmten Zeitpunkt eine Maschine mit einer Million Qubits folgen zu lassen. Dario Gil, IBMs Forschungsdirektor, sagt, er sei zuversichtlich, dass sein Team den Zeitplan einhalten kann. „Eine Roadmap ist mehr als ein Plan und eine PowerPoint-Präsentation“, sagt er. „

IBM ist nicht das einzige Unternehmen mit einer Roadmap zum Bau eines vollwertigen Quantencomputers – einer Maschine, die sich die seltsamen Regeln der Quantenmechanik zunutze macht, um bestimmte Berechnungen zu bewältigen, die herkömmliche Computer einfach überfordern. Zumindest in Bezug auf die Öffentlichkeitsarbeit hat IBM mit Google gleichgezogen, das vor einem Jahr für Schlagzeilen sorgte, als das Unternehmen bekannt gab, dass seine Forscher mit ihrem 53-Qubit-Quantencomputer ein bestimmtes abstraktes Problem gelöst hatten, von dem sie behaupteten, dass es jeden konventionellen Computer überfordern würde – ein Meilenstein, der als Quantenüberlegenheit bekannt ist. Google hat seinen eigenen Plan, innerhalb von 10 Jahren einen Quantencomputer mit einer Million Quantenbits zu bauen, wie Hartmut Neven, der Googles Quantencomputing-Bemühungen leitet, in einem Interview im April erklärte, obwohl er es ablehnte, einen konkreten Zeitplan für die Fortschritte zu verraten.

IBMs erklärter Zeitplan birgt das offensichtliche Risiko, dass jeder wissen wird, wenn es seine Meilensteine verpasst. Aber das Unternehmen entschied sich, seine Pläne offen zu legen, damit seine Kunden und Mitarbeiter wissen, was sie erwarten können. Dutzende von Quantencomputer-Startups nutzen IBMs aktuelle Maschinen, um ihre eigenen Softwareprodukte zu entwickeln, und die Kenntnis von IBMs Meilensteinen sollte den Entwicklern helfen, ihre Bemühungen besser auf die Hardware abzustimmen, sagt Gil.

Eine Firma, die sich diesen Bemühungen anschließt, ist Q-CTRL, die Software entwickelt, um die Steuerung und Leistung der einzelnen Qubits zu optimieren. Die Ankündigung von IBM zeigt Risikokapitalgebern, dass das Unternehmen es mit der Entwicklung der anspruchsvollen Technologie ernst meint, sagt Michael Biercuk, Gründer und CEO von Q-CTRL. „Es ist relevant für die Überzeugung von Investoren, dass dieser große Hardware-Hersteller die Sache vorantreibt und erhebliche Ressourcen investiert“, sagt er.

Eine 1000-Qubit-Maschine ist ein besonders wichtiger Meilenstein in der Entwicklung eines vollwertigen Quantencomputers, sagen Forscher. Eine solche Maschine wäre immer noch 1000-mal zu klein, um das volle Potenzial des Quantencomputers auszuschöpfen – wie etwa das Brechen aktueller Internet-Verschlüsselungssysteme -, aber sie wäre groß genug, um die unzähligen Fehler zu erkennen und zu korrigieren, die die pingeligen Quantenbits normalerweise plagen.

Ein Bit in einem gewöhnlichen Computer ist ein elektrischer Schalter, der entweder auf Null oder Eins gesetzt werden kann. Im Gegensatz dazu ist ein Qubit ein Quantenbauteil – in den Maschinen von IBM und Google ist jedes ein winziger Schaltkreis aus supraleitendem Metall, der fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt ist – der auf Null, Eins oder, dank der seltsamen Regeln der Quantenmechanik, auf Null und Eins gleichzeitig eingestellt werden kann. Aber die geringste Interaktion mit der Umgebung neigt dazu, diese empfindlichen Zwei-auf-einmal-Zustände zu verzerren. Deshalb haben die Forscher Fehlerkorrekturprotokolle entwickelt, um Informationen, die normalerweise in einem einzigen physikalischen Qubit kodiert sind, auf viele davon zu verteilen, so dass der Zustand dieses „logischen Qubits“ auf unbestimmte Zeit beibehalten werden kann.

Mit ihrer geplanten 1121-Qubit-Maschine wären die IBM-Forscher in der Lage, eine Handvoll logischer Qubits aufrechtzuerhalten und sie miteinander interagieren zu lassen, sagt Jay Gambetta, ein Physiker, der IBMs Quantencomputer-Bemühungen leitet. Das ist genau das, was erforderlich sein wird, um einen vollwertigen Quantencomputer mit Tausenden von logischen Qubits zu bauen. Eine solche Maschine würde einen „Wendepunkt“ markieren, an dem sich der Fokus der Forscher von der Verringerung der Fehlerrate in den einzelnen Qubits auf die Optimierung der Architektur und Leistung des gesamten Systems verlagert, sagt Gambetta.

IBM bereitet bereits einen Jumbo-Flüssig-Helium-Kühlschrank oder Kryostat vor, der einen Quantencomputer mit 1 Million Qubits aufnehmen soll. Die IBM-Roadmap gibt nicht an, wann eine solche Maschine gebaut werden könnte. Aber wenn die Forscher des Unternehmens wirklich einen 1000-Qubit-Computer in den nächsten 2 Jahren bauen können, wird dieses ultimative Ziel weit weniger fantastisch klingen, als es jetzt ist.