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Neue Stufe des Supercomputing IBM entwickelt bis dato leistungsstärkste Quantenprozessoren

Sebastian Gerstl

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IBM hat die Entwicklung und den erfolgreichen Test der bislang leistungsstärksten universellen Quantenprozessoren des Unternehmens angekündigt. Einer der beiden Prototypen wird den Kern der ersten kommerziellen IBM Q Systeme bilden, die in naher Zukunft einigen frühen Nutzern zur Verfügung gestellt werden sollen.

Im März dieses Jahres kündigte IBM bereits die industrieweit erste Initiative zur Bereitstellung eines universell verfügbaren Quantencomputers für kommerzielle und wissenschaftliche Anwendungen mit dem Namen IBM Q an. IBM Q Systeme und Services werden über die IBM Cloud-Plattform verfügbar werden. Das Unternehmen bietet der Öffentlichkeit bereits seit einem Jahr Zugriff auf Quantenprozessoren und entsprechende Schulungsunterlagen an, um so dem Thema einen größeren Raum nicht nur im akademischen Umfeld, sondern auch für alle Interessierten zu schaffen. Bis heute wurden mehr als 300.000 Quanten-Experimente mit Hilfe dieses Angebots durchgeführt.

Mit der heutigen Ankündigung der neuen IBM Q-Prozessoren schafft das Unternehmen die Grundlage für die Lösung von Problemen im wirtschaftlichen wie wissenschaftlichen Kontext, die selbst mit klassischen Supercomputern nicht zu bewältigen sind.

Die beiden Prozessoren sind im Detail zum einen ein 16-Qubit Prozessor, der weitaus komplexere Experimente ermöglicht als der bisher verfügbare 5-Qubit Prozessor. Entwickler, Programmierer und Forscher können den kostenlosen Zugriff auf die Installation nutzen, um Quanten-Algorithmen auszutesten und Experimente durchzuführen. Zusätzlich werden Lernmaterialien und Simulationen zur Verfügung gestellt. Ein Beta-Zugang ist seit heute über das neue Software Development Kit auf GitHub offen.

Hinzu kommt der erste Prototyp eines kommerziellen Prozessors mit 17 Qubits, der effektiv den bis heute leistungsfähigsten IBM Quantenprozessor darstellt. Dank zahlreicher Verbesserungen beim Material und der Architektur ist er mindestens zweimal so schnell wie die heute über die IBM Cloud zugreifbaren Prozessoren und wird den Kern der ersten kommerziell verfügbaren IBM Q Systeme bilden.

„Die heute angekündigten Verbesserungen erlauben es IBM, zukünftig Prozessoren zu bauen, die aus 50 oder mehr Qubits bestehen und damit die Leistung heutiger Computersysteme übersteigen“, sagt Arvind Krishna, Senior Vice President and Director of IBM Research and Hybrid Cloud. “Diese Entwicklungen unserer über die IBM Cloud verfügbaren Quantensysteme erlauben es uns, über ganz neue Anwendungsgebiete nachzudenken und Gebiete zu erforschen, die mit klassischen Computers alleine unerreichbar sind.“

Die Leistungsfähigkeit von Quantenprozessoren zur Lösung von ganz praktischen Problemen hängt aber von weitaus mehr ab als der reinen Zahl ihrer Qubits. Aufgrund der fragilen Natur von Quanteninformationen braucht es für eine Leistungsverbesserung solcher Systeme auch Qualitätsverbesserungen bei den einzelnen Qubits sowie ihrer Interaktion untereinander bei gleichzeitiger Minimierung der auftretenden Quantenfehler. IBM hat eine neue Metrik übernommen, die die Leistungsfähigkeit von Quantensystemen charakterisiert – das so genannte Quantum Volume. Quantum Volume steht für die Anzahl und Qualität der Qubits, ihrer Leiterverbindungen sowie den Fehlerraten im Rahmen Quantenzustandsmessungen.

Der IBM Prototyp bietet deutliche Verbesserungen beim Quantum Volume. In den nächsten Jahren plant IBM diese Technologie massiv voranzutreiben und das Quantum Volume zukünftiger Systeme weiter zu verbessern – bis hin zu den oben erwähnten 50 Qubit-Prozessoren. Nähere Details hat IBM in einem zugehörigen Fachartikel bereitgestellt.

Während die Technologien, die klassische Computer und ihre Anwendungen wie beispielsweise Watson dabei helfen, Muster und Zusammenhänge in großen vorhandenen Datenmengen zu erkennen, werden Quantencomputer helfen, Problemlösungen zu finden, wo Muster nicht erkannt werden können, weil nicht genügend Datenmaterial vorhanden und damit viel zu viele Lösungsansätze denkbar wären, um sie mit heutigen Rechnern zu bewältigen.

Zu den möglichen Anwendungsgebieten von Quantencomputern zählt IBM unter anderem Prozessoptimierungen in Supply Chains und Logistik, neue Ansätze bei Finanzmodellen und Risikoanalysen, Materialwissenschaften und Chemie durch die Entdeckung von bisher ungeklärten oder gänzlich unbekannten chemischen Verbindungen für neue Materialien und die Pharmaforschung, künstliche Intelligenz durch Verbesserung einzelnen Komponente wie beispielsweise Machine Learning sowie Sicherheit in Cloud-Umgebungen durch verstärkten Schutz von privaten Daten durch quantenbasierte Verschlüsselungen.

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