Abheben mit Heron und Condor: Die neuesten Fortschritte bei Quantencomputern

IBM hat gerade angekündigt den neuesten Durchbruch in seiner Mission, kommerzialisierte und praktische Quantencomputer zur Realität zu machen – einen über 1.000‑Qubit‑Prozessor mit dem Namen ‘Condor’ und einen auf Fehlerkorrektur ausgerichteten Prozessor mit dem Namen ‘Heron’.

Quantencomputer stellen einen neuen Ansatz für maschinelles Rechnen dar. Durch die Nutzung von Qubits, die Superposition und Verschränkung ermöglichen, haben Quantencomputer das Potenzial, schnellere und komplexere Berechnungen durchzuführen als die klassischen Bits, die in herkömmlichen Computern verwendet werden. Anders als beim traditionellen Computing, bei dem Bits entweder 0 oder 1 darstellen, können Qubits in der Quantencomputing gleichzeitig beide Zustände repräsentieren. Wichtig ist, dass Quantencomputing damit das klassische Computing ergänzt statt ersetzt; es glänzt bei Aufgaben wie Molekülsimulationen und Systemoptimierungen, während klassisches Computing besser für alltägliche Aufgaben geeignet ist.

Es ist gerade wegen der Arten von Aufgaben, bei denen Quantencomputing glänzen soll, dass die Technologie so hochgelobt wird. Ein Computer, der komplexe Berechnungen um Größenordnungen schneller als seine traditionellen Gegenstücke ausführen kann, ist es wert, entwickelt zu werden, da seine Anwendungsfälle das Potenzial haben, die Welt und unser Verständnis davon zu verändern.

IBMs Heron und Condor

Mit seiner Ankündigung hat IBM bedeutende Fortschritte im Quantencomputing gemacht, indem es zwei fortschrittliche Quantenprozessoren vorgestellt hat: Heron und Condor.

Der Heron‑Prozessor, der im ibm_torino‑Quantensystem zum Einsatz kommt, stellt mit seinen 133 festfrequenten Qubits und einstellbaren Kopplern einen großen Sprung dar und liefert eine 3‑5‑fach verbesserte Leistung im Vergleich zu den vorherigen 127‑Qubit‑Eagle‑Prozessoren. Dieser Fortschritt eliminiert praktisch das „Cross‑Talk“ (unerwünschte Wechselwirkungen oder Interferenzen zwischen Qubits) und legt das Fundament für zukünftige Hardware‑Entwicklungen. Bemerkenswerterweise nutzt IBM diese Chips bereits in seiner „modular‑architecture“ Quantum System Two‑Computing‑Plattform.

Der Condor‑Prozessor, ein 1.121‑Qubit‑Supraleitungs‑Quantenprozessor, ist ebenso bemerkenswert. Er erhöht die Qubit‑Dichte um 50 %, integriert Fortschritte in der Qubit‑Fertigung und verlegt über eine Meile hochdichter kryogener Verkabelung in einen einzigen Dilution‑Kühlschrank (ein Gerät, das extrem niedrige Temperaturen, nahe dem absoluten Nullpunkt, erreicht). Die Leistung von Condor ist vergleichbar mit dem früheren 433‑Qubit‑Osprey‑Prozessor des Unternehmens und markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Skalierung und liefert wichtige Erkenntnisse für zukünftige Hardware‑Designs im Quantencomputing.

Diese Entwicklungen von IBM sind entscheidend, um die Grenzen des Nutzens von Quantencomputern zu verschieben und auf dem Weg zu quantenzentrierten Supercomputern voranzukommen.

Anwendungen und Einschränkungen

Wie bereits erwähnt, werden Quantencomputer so hochgelobt, weil ihr Potenzial unser Verständnis nahezu jedes Wissenschaftszweigs erheblich voranbringen kann. Im Folgenden finden Sie nur einige Beispiele dafür.

Medizin: In der Medizin könnte Quantencomputing die Wirkstoffforschung revolutionieren, indem es das Verhalten von Molekülen auf Quantenebene simuliert. Das ermöglicht genauere Vorhersagen, wie potenzielle Medikamente mit dem menschlichen Körper interagieren, beschleunigt die Entwicklung neuer Medikamente und senkt die Kosten.

Meteorologie: Für die Meteorologie könnten Quantencomputer riesige Mengen an Wetterdaten effizienter analysieren als klassische Computer. Das würde zu genaueren Wettervorhersagen und einem besseren Verständnis des Klimawandels führen, was hilft, Naturkatastrophen zu mindern und landwirtschaftliche Strategien zu planen.

Komplexe Problem­lösung: Quantencomputing könnte Probleme angehen, die derzeit von klassischen Computern nicht lösbar sind, wie die Optimierung großer Systeme für Logistik und Lieferketten oder das Lösen anspruchsvoller mathematischer Aufgaben. Das hat weitreichende Auswirkungen auf verschiedene Sektoren, darunter Verkehr, Energie und Finanzen.

Es ist zudem wichtig zu erkennen, dass wir das Unvorstellbare nicht kennen können. Das bedeutet, dass zahlreiche unerwartete Fortschritte möglich werden, sobald die Technologie eines Tages die entsprechenden Fähigkeiten bereitstellt.

“Quantencomputing ist die Zukunft des Rechnens. Es wird neue Möglichkeiten für wissenschaftliche Entdeckungen und technologische Fortschritte eröffnen, die wir uns heute noch nicht vorstellen können.” – Arvind Krishna, Vorsitzender und CEO von IBM, in einem Interview mit CNBC

Da Quantencomputer eine solch monumentale technologische Errungenschaft darstellen, sollte es nicht überraschen, dass es nach wie vor erhebliche Hürden und Einschränkungen gibt, die mit der Zeit überwunden werden müssen. Beispielsweise steht das Quantencomputing derzeit vor Herausforderungen bei der Fehlerkorrektur, Skalierbarkeit und der Entwicklung praktischer Algorithmen.

Im Laufe der Zeit werden weitere Hürden auftauchen, die zuvor aufgrund eines rudimentären, aber wachsenden Verständnisses der Quantenmechanik nicht vorhersehbar waren. Die Komplexität und das Potenzial der Quantenphysik wurde im folgenden Zitat betont.

“Wenn du denkst, du verstehst Quantenmechanik, verstehst du Quantenmechanik nicht.” – Richard Feynman, Nobelpreisträger für Physik

Wie es derzeit aussieht, bedeuten diese Einschränkungen, dass Quantencomputer noch nicht für den breiten Einsatz bereit sind. Mit den jüngsten Fortschritten deuten optimistische Zeitpläne darauf hin, dass es noch ein weiteres Jahrzehnt dauern könnte, bis dies der Fall ist.

Bildung: Die zukünftige Quantencomputing‑Belegschaft

In den vergangenen Jahrzehnten schien Quantencomputing noch so fern, dass Lehrveranstaltungen dazu selten waren. Jetzt, wo eine Zukunft, in der sie tatsächlich eingesetzt werden, in den Fokus rückt, steigt der Bedarf, die nächste Generation von Wissenschaftlern und Ingenieuren auszubilden, die diese Weiterentwicklung vorantreiben werden. Infolgedessen bieten viele Universitäten inzwischen spezialisierte Kurse und Programme im Quantencomputing an, um eine qualifizierte Arbeitskraft für dieses aufstrebende Feld zu schaffen.

• The Institute for Quantum Computing at the University of Waterloo ist ein bemerkenswertes Beispiel, das akademische Forschung mit dem Ziel kombiniert, Technologie zu kommerzialisieren. Gefördert von Mike Lazaridis, dem Schöpfer von BlackBerry , beschäftigt es etwa 296 Forschende und hat über 1.500 Fachartikel veröffentlicht.
• University of Oxford verfügt über eine lange Geschichte im Quantencomputing und hat bedeutende Beiträge zum Feld geleistet, darunter den ersten funktionierenden reinen Zustands‑NMR‑Quantencomputer.
• Harvard University’s Harvard Quantum Initiative konzentriert sich auf die Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technik der Quantencomputer und ihrer Anwendungen und bereitet sich auf das, was sie die „zweite Quantenrevolution“ nennt, vor.
• MIT’s Center for Theoretical Physics befasst sich intensiv mit Quanteninformation und Quantencomputing, erforscht Quantenalgorithmen, Quanteninformationstheorie und die experimentelle Realisierung von Quantencomputern.
• National University of Singapore and Nanyang Technological University’s Centre for Quantum Technologies und University of California Berkeley’s Center for Quantum Information and Computation sind ebenfalls Vorreiter in der Quantencomputing‑Ausbildung und konzentrieren sich auf Forschung und Entwicklung von Quanten­geräten.
• University of Maryland’s Joint Quantum Institute arbeitet mit großen Institutionen wie NIST und LPS zusammen und führt umfangreiche Forschungsprogramme zur Kontrolle und Nutzung von Quantensystemen durch.

Branchenakteure, die Quantencomputing vorantreiben

Während die genannten Hochschulen die nächste Generation von Quantencomputing‑Spezialisten ausbilden, ebnen die folgenden Unternehmen derzeit den Weg in diese Zukunft.

1.  International Business Machines Corporation

IBM Preisdiagramm

IBM ist seit langem führend in der Entwicklung von Quantencomputern. Das Unternehmen strebt an, die Entwicklung von Quantencomputern zu demokratisieren, etwa durch Initiativen wie Qiskit Patterns. IBM hat zudem seine Roadmap für die Realisierung großskaliger, praktischer Quantencomputer erweitert und konzentriert sich dabei auf neue modulare Architekturen und Vernetzung, die Quantensysteme mit Hunderttausenden von Qubits ermöglichen könnten – ein entscheidender Schritt für praktische Quantenanwendungen.

2.  Microsoft Corporation

MSFT Preisdiagramm

Microsofts Bemühungen im Quantencomputing konzentrieren sich auf die Cloud‑Integration und Zusammenarbeit. Das Unternehmen hat Quantenmaschinen mit dem höchsten Quantum‑Volume der Branche zu Azure Quantum hinzugefügt, einschließlich Partnerschaften mit IonQ, Pasqal, Quantinuum, QCI und Rigetti. Diese Integration erleichtert Experimente und ist ein Schritt hin zu skalierbarem Quantencomputing. Microsoft (MSFT ) betont die Bedeutung eines globalen Ökosystems, um das volle Potenzial des Quantencomputings zu realisieren, und plant, seine Quantenmaschine als Cloud‑Dienst über Azure anzubieten, um einen sicheren und verantwortungsvollen Einsatz dieser aufkommenden Technologie zu gewährleisten.

3.  Alphabet Inc.

GOOGL Preisdiagramm

Alphabet (GOOG ) hat über sein Google Quantum AI‑Labor bedeutende Fortschritte im Quantencomputing erzielt. Im Jahr 2023 kündigten Google‑Wissenschaftler einen wichtigen Meilenstein bei der Reduzierung der Fehlerrate im Quantencomputing an, einer langjährigen Herausforderung im Feld. Ihre in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Forschung beschreibt ein System, das die Fehlerrate deutlich senkt und Fehlerkorrektur‑Codes implementiert, die Fehler erkennen und beheben können, ohne die Informationen zu beeinträchtigen. Bereits 2019 behauptete Google, mit seiner Sycamore‑Maschine „Quanten‑Suprematie“ erreicht zu haben, indem sie eine Berechnung in 200 Sekunden durchführte, die ein konventioneller Supercomputer in 10.000 Jahren benötigt hätte – ein eindrucksvoller Beweis für das Potenzial von Quantencomputern, komplexe Probleme zu lösen, die weit über die Möglichkeiten klassischer Computer hinausgehen.

Fazit

Quantencomputing stellt einen bahnbrechenden Sprung in der Welt des Rechnens dar und bietet das Potenzial, eine Vielzahl von Bereichen zu revolutionieren. Während die jüngsten Fortschritte von IBM mit den Heron‑ und Condor‑Quantenprozessoren bedeutende Schritte in Richtung praktischer Quantencomputer markieren, steht die Technologie weiterhin vor erheblichen Herausforderungen bei der Fehlerkorrektur, Skalierbarkeit und der Entwicklung von Algorithmen – was den Bedarf an fortgesetzter Forschung und Innovation unterstreicht.

Solange diese Herausforderungen bestehen, birgt das Quantencomputing das Versprechen, Möglichkeiten zu erschließen, die wir uns heute noch nicht vorstellen können, und leitet eine neue Ära wissenschaftlicher Entdeckungen und technologischer Fortschritte ein. Sein volles Potenzial entfaltet sich noch, und seine Auswirkungen auf verschiedene Industrien und die Gesellschaft versprechen tiefgreifend zu sein.