Fehlertolerantes System IBM will bis 2029 skalierbaren Quantencomputer realisieren

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IBM hat eine neue Quantenarchitektur vorgestellt, die den Bau eines fehlertoleranten Quantencomputers bis 2029 ermöglichen soll – mit deutlich reduziertem Hardwareaufwand.

BM hat eine neue Architektur für Quantencomputer vorgestellt, die das Potenzial hat, einen der zentralen Engpässe der Technologie zu überwinden: die Fehlerkorrektur. Das Unternehmen plant, auf dieser Basis bis 2029 ein marktreifes, fehlertolerantes System bereitzustellen.

Im Zentrum steht der Aufbau eines modularen Quantencomputers namens Starling, der 200 logisch fehlerkorrigierte Qubits nutzen soll. Damit will IBM ein Gerät realisieren, das bis zu 100 Millionen fehlerkorrigierte Quantenoperationen ausführen kann – eine Größenordnung, die über bisherige „Gadget-Experimente“ deutlich hinausgeht.

Redundanz gegen Instabilität

Quantencomputer sind anfällig für Störungen, etwa durch Streustrahlung oder thermische Einflüsse. Um nutzbare Informationen stabil zu speichern oder zu verarbeiten, müssen deshalb viele physikalische Qubits zu einem „logischen Qubit“ zusammengefasst werden. Diese Redundanz ermöglicht die Erkennung und Korrektur von Fehlern – allerdings auf Kosten einer erheblichen Hardwarekomplexität.

Bisherige Verfahren wie der Surface Code benötigen mehrere Hundert bis Tausend physikalische Qubits pro logischem Qubit. IBM verfolgt nun einen neuen Ansatz: sogenannte quantum Low-Density Parity Check (qLDPC)-Codes. Diese sollen mit etwa einem Zehntel der bisherigen Qubitanzahl auskommen und erlauben dadurch einen kompakteren Systemaufbau.

Eine weitere Neuerung ist die Fähigkeit zur Echtzeitdiagnose von Fehlern. Mithilfe spezieller FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) können Fehler beim Auslesen von Qubit-Zuständen sofort erkannt und klassifiziert werden – ein entscheidender Schritt zur stabilen und skalierbaren Fehlerkorrektur.

Modularer Aufbau als Schlüssel zur Skalierung

Der erste Baustein der neuen Systemarchitektur ist der Chip Loon, der noch 2025 vorgestellt werden soll. Er erlaubt die nicht-lokale Kopplung von Qubits auf demselben Chip – eine Voraussetzung für die Implementierung von qLDPC-Codes.

2026 folgt mit Kookaburra das erste Modul, das sowohl Rechen- als auch Speichereinheiten enthält. Ein Jahr später will IBM mit Cockatoo zwei dieser Module zu einem funktionierenden Verbundsystem vernetzen. Der modulare Aufbau soll künftig eine flexible Skalierung erlauben, vergleichbar mit Rechenzentren klassischer Architektur.

Die Fertigstellung von Starling ist für 2028 geplant, die cloudbasierte Verfügbarkeit ein Jahr später. Das System wird in einem eigens errichteten Quantenrechenzentrum in Poughkeepsie (New York) betrieben.

Für IBM ist Starling ein Meilenstein auf dem Weg zu Blue Jay, einem System mit 2.000 logischen Qubits und einer Zielmarke von einer Milliarde fehlerkorrigierter Quantenoperationen. Auch wenn Starling noch keine wirtschaftlich relevanten Algorithmen umsetzen dürfte, stellt es eine wichtige Zwischenetappe dar.

Technische Hürden und Konkurrenzdruck

Experten wie Wolfgang Pfaff (University of Illinois) bewerten IBMs Plan als ambitioniert, aber realistisch. Die modulare Strategie passe zur aktuellen Entwicklung der Branche. Allerdings bleibe die Umsetzung eine technologische Herausforderung.

Besonders kritisch ist die Reduktion der Fehlerraten bei Quantenoperationen. IBM sieht die Verbesserung der Kohärenzzeiten als zentralen Hebel – also die Dauer, über die ein Qubit seinen Zustand zuverlässig halten kann. Fortschritte bei den Heron-Chips deuten auf erste Erfolge in dieser Richtung hin.

IBM positioniert sich damit in einem engen Rennen mit anderen Akteuren wie Google, AWS, QuEra oder PsiQuantum. Der Ausgang ist offen – aber IBM sieht sich durch seine vertikal integrierte Entwicklung von Hardware, Algorithmen und Systemarchitektur im Vorteil.

Der Fokus liegt jetzt auf der Ingenieursarbeit. „Die Grundlagen sind gelegt – nun geht es darum, die Maschine zu bauen“, sagt Jay Gambetta, Leiter von IBM Quantum. Die nächsten Jahre würden zeigen, ob sich der Schritt vom Forschungslabor zum industriellen Quantencomputer tatsächlich vollziehen lässt.(sg)

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