Erster Quanten-Supercomputer ante portas Rekordchip IBM Osprey: 433 Qubits in einem Quantenprozessor

Von Michael Eckstein

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Auf dem Quantum Summit 2022 hat IBM den Nachfolger seines Quantenchips „Eagle“ vorgestellt: Mit 433 Qubits ist „Osprey“ der derzeit größte Quantenprozessor von IBM. Für sein „Quantum Network“ konnte das Unternehmen zudem einen weiteren prominenten deutschen Partner gewinnen: Bosch.

Der IBM-Quantenprozessor Osprey mit 433 Qubits ist mehr als das Dreifache der 127 Qubits des im Jahr 2021 vorgestellten IBM Eagle-Prozessors.
Der IBM-Quantenprozessor Osprey mit 433 Qubits ist mehr als das Dreifache der 127 Qubits des im Jahr 2021 vorgestellten IBM Eagle-Prozessors.
(Bild: IBM)

Vor fast genau einem Jahr knackte IBM die Marke von 100 auf einem Chip integrierten Qubits. Heute ist das Unternehmen einen großen Schritt weiter: Auf dem IBM Quantum Summit 2022 hat IBM seinen „Osprey“-QPU (Quantum Processing Unit) vorgestellt – einen Quantenprozessor mit 433 Qubits. Neben der Rekordhardware will das Unternehmen auch bei der Software deutliche Fortschritte erzielt haben, die eine „bahnbrechende Vision für quantenzentriertes Supercomputing“ ermöglichen sollen. „Der neue 433-Qubit-Osprey-Prozessor bringt uns einen Schritt näher an den Punkt, an dem Quantencomputer eingesetzt werden, um bisher unlösbare Probleme anzugehen“, freut sich Dr. Darío Gil, Senior Vice President, IBM und Forschungsdirektor.

Der IBM Osprey überflügelt seinen Ende 2021 vorgestellten Vorgänger IBM Eagle mit 433 gegenüber 127 Qubits um mehr als das Dreifache. Laut IBM hat der neue Prozessor das Potenzial, komplexe Quantenberechnungen durchzuführen, die weit über die Rechenleistung eines klassischen Computers hinausgehen. Zum Vergleich: Die Anzahl der klassischen Bits, die erforderlich wäre, um den vollständigen Zustand der 433 Qubits auf dem IBM Osprey-Prozessor darzustellen, übersteigt bei weitem die Gesamtzahl der Atome im bekannten Universum. Dabei sollte allerdings nicht unerwähnt bleiben, dass auch Qubits nach dem Auslesen nur eine 0 oder eine 1 darstellen können. Somit kann Osprey maximal 54 Byte verarbeiten (433 : 8) – inklusive der Qubits, die der Algorithmus zum Verarbeiten der Daten benötigt.

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Und trotzdem ist auch Osprey lediglich ein Zwischenschritt auf dem Weg zur nächsten Rekordmarke: Bereits 2023 soll „Condor“ folgen, die erste QPU mit über 1.000 Qubits. Konkret soll diese mit 1.121 Qubits rechnen. Parallel dazu will IBM „Heron“ vorstellen, den ersten skalierbaren Quantenprozessor, von dem jede Einheit 133 Qubits hat. Er basiert auf einer abstimmbaren Kopplerarchitektur. Damit soll es möglich sein, Rechenleistung zu skalieren, indem man mehrere Heron-QPUs kombiniert – und zwar zunächst über herkömmliche Signaltechnik. Als Ziel gibt IBM an, mit drei kombinierten Heron-Chips eine Fehlerrate von unter 0,1 Prozent pro Rechenschritt zu erreichen. In spätere Versionen soll die Kopplung per Quanten-Teleportation erfolgen.

2024 plant IBM die Vorstellung seiner „Flamingo“-QPU: Hier lassen sich drei Quantenprozessoren zu einer Recheneinheit mit 1.386 Qubits kombinieren. Bislang konnte IBM seine Quantencomputing-Roadmap (siehe Bilderstrecke) weitgehend einhalten.

Neue Quantensoftware für Fehlerkorrektur und Rauschminderung

Doch pure Rechenleistung allein ist beim Quantum Computing nur die halbe Miete. Entscheidend ist, das sogenannte Quantenrauschen zu reduzieren. Denn dieses erzeugt beim Rechnen Fehler. Deswegen ist das Beheben von Störungen in Quantencomputern ein wichtiger Faktor für die Akzeptanz dieser Technologie. IBM hat Osprey daher mit integrierten Filtern zur Rauschunterdrückung und zum Verbessern der Stabilität ausgestattet. Dabei handelt es sich um eine Kompensation des bekannten Rauschverhaltens. Ziel ist es, mehr Rechenschritte durchführen zu können, ehe das Ergebnis im Rauschen untergeht und verloren ist.

Darüber hinaus hat IBM ein Beta-Update für die Qiskit-Runtime-Software veröffentlicht. Es soll Benutzern ermöglichen, über eine einfache Option in der API Genauigkeit und Geschwindigkeit auszutarieren und so eine möglichst geringere Fehlerzahl bei gleichzeitig möglichst hohem Verarbeitungstempo zu erreichen. Durch das Abstrahieren der Komplexität dieser Funktionen in die Softwareschicht wird es laut IBM für die Benutzer einfacher, Quantencomputing in ihre Arbeitsabläufe zu integrieren und die Entwicklung von Quantenanwendungen zu beschleunigen.

Neue IBM Quantum Safe Technologie

Wie alles hat auch das Quantencomputing eine Kehrseite: Nicht zuletzt Technologieanbieter müssen ihre Systeme und Daten mit geeigneten Maßnahmen vor einem potenziellen Angriff mit einem Quantencomputer schützen, der in der Lage ist, die heutigen Sicherheitsstandards auszuhebeln. IBM bietet bereits heute Technologie und Dienstleistungen mit erforderlichen Sicherheitsfunktionen an – vom Angebot des z16-Systems mit Quantensicherheitstechnologie (IBM Quantum Safe) bis hin zum Bereitstellen von Algorithmen in Verbindung mit dem Ziel des National Institute of Standards and Technology (NIST), diese bis 2024 zu standardisieren. Noch in diesem Jahr will NIST vier Algorithmen standardisieren.

Auf der Veranstaltung haben zudem IBM und Vodafone eine Zusammenarbeit mit dem Ziel angekündigt, zu erforschen, wie die quantensichere Kryptographie von IBM in der technologischen Infrastruktur von Vodafone eingesetzt werden kann.

IBM Quantum System Two Update - IBMs Quantensystem der nächsten Generation

Dass Unternehmen derartige Sicherheitsüberlegungen dringend anstellen sollten, zeigt IBM Quantencomputing-Roadmap (siehe Bilderstrecke). Spätestens die IBM Quantensysteme, die auf das erklärte Ziel von mehr als 4.000 Qubits bis 2025 und darüber hinaus skalieren, werden die derzeitigen Möglichkeiten der bestehenden physikalischen Elektronik übersteigen, ist sich IBM sicher.

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2023 wird nach IBM-Zeitrechnung ein Wendepunkt: Zum Ende des Jahres will IBM seinen neuen Quantencomputer „Quantum System Two“ in Betrieb nehmen – nach Überzeugung des Unternehmens ein Baustein des quantenzentrierten Supercomputings, der nächsten Welle des Quantencomputings. Quantum System Two ist ein modulares und flexibles System, das mehrere Prozessoren in einem einzigen System mit schnellen Kommunikationsverbindungen kombiniert.

Die modulare Architektur und Quantenkommunikation sollen das Skalieren der Rechenkapazität sicherstellen, während hybride Cloud-Middleware nahtlos Quanten- und klassische Workflows integrieren können soll. Jay Gambetta, IBM Fellow & VP IBM Quantum, macht klar: „Wir haben gesagt, dass das Jahr 2023 einen wichtigen Wendepunkt in der Quanteninformatik markieren würde – wo wir beginnen, quantenzentriertes Supercomputing zu realisieren. Nächstes Jahr beginnen wir also mit den Schritten, die uns dorthin bringen.“

Quanten-Rechenpower as a Service

Bereits heute lässt sich Quantum-Power für eigene Berechnungen kommerziell nutzen, wie ein Blick in IBMs Access-Plan zeigt: Im Rahmen eines Pay-As-You-Go-Konzepts lässt sich QPU-Rechenzeit für 1,60 Dollar pro Rechensekunde buchen. Derzeit erfolgen die Berechnungen auf den älteren „Falcon“-QPUs mit 27 Qubits von 2019.

Tatsächlich ist Quantencomputing längst kein akademisches Randthema mehr. Das macht ein Blick auf die Mitglieder des IBM Quantum Networks klar: Hier finden sich weltweit agierende Konzerne wie BP, Boeing, EON, ExxonMobil, Mercedes-Benz, Samsung, Sony. Der neuste Zuwachs kommt aus Deutschland: Auf dem Summit hat IBM bekannt gegeben, dass der deutsche Mischkonzern Bosch dem IBM Quantum Network beigetreten ist.

Weitere neue Mitglieder des Netzwerks sind das multinationale Telekommunikationsunternehmen Vodafone, das Quantencomputing und quantensichere Kryptographie erforschen will, die französische Bank Crédit Mutuel Alliance Fédérale, die Anwendungsfälle im Finanzdienstleistungsbereich erforschen will, und der Schweizer Innovationscampus uptownBasel, der die Entwicklung von Fähigkeiten fördern und führende Innovationsprojekte im Bereich der Quanten- und Hochleistungscomputertechnologie unterstützen soll.

Diese Organisationen schließen sich mehr als 200 Organisationen - und mehr als 450.000 Nutzern - an, die Zugang zur weltweit größten Flotte von mehr als 20 Quantencomputern haben, die über die Cloud zugänglich sind. (me)

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