IBMs Heron und Condor: Fortschritte im Quantencomputing 2023

IBM hat im Dezember 2023 zwei Schritte auf dem Weg zum praktischen Quantencomputing angekündigt: Condor mit mehr als 1.000 physikalischen Qubits und Heron mit Schwerpunkt auf der Verringerung von Fehlern. Dieser Artikel betrachtet die damaligen Ankündigungen und Erwartungen.

Quantencomputer nutzen Qubits, deren Zustände Superposition und Verschränkung ermöglichen. Eine Superposition von 0 und 1 bedeutet nicht, dass eine Messung alle möglichen Antworten gleichzeitig liefert. Geeignete Quantenalgorithmen können bei bestimmten Aufgaben Vorteile bieten. Die Technik ergänzt klassische Computer, macht aber nicht automatisch jede Berechnung schneller. Molekülsimulationen und einige Optimierungsprobleme sind wichtige Forschungsgebiete.

Das Interesse beruht auf der Möglichkeit, bestimmte Berechnungen wesentlich effizienter durchzuführen. Solche Fortschritte können Wissenschaft und Industrie stark beeinflussen; der praktische Vorteil hängt jedoch von Problem, Algorithmus und Hardware ab.

IBMs Heron und Condor

IBM stellte Heron und Condor auf seinem Quantum Summit im Dezember 2023 vor.

Heron wird im System ibm_torino eingesetzt und verfügt über 133 Qubits mit festen Frequenzen sowie einstellbare Koppler. IBM berichtete von einer drei- bis fünffach besseren Geräteleistung gegenüber dem früheren Eagle mit 127 Qubits; das ist keine allgemeine Beschleunigung sämtlicher Programme. Der Aufbau unterdrückt Übersprechen, also unerwünschte Wechselwirkungen zwischen Qubits, nahezu vollständig. IBM nahm außerdem Quantum System Two mit drei Heron-Prozessoren in Betrieb. Die modulare Verbindung von Quantenhardware und klassischer Steuerung macht die getrennten Prozessoren nicht automatisch zu einem einzigen fehlertoleranten Quantencomputer.

Condor besitzt 1.121 supraleitende physikalische Qubits. IBM meldete eine um 50 Prozent höhere Qubit-Dichte, Fortschritte bei der Herstellung und mehr als eine Meile, rund 1,6 Kilometer, hochdichte kryogene Verkabelung in einem einzigen Verdünnungskühler. Dieser hält Temperaturen sehr nahe am absoluten Nullpunkt. Die Leistung war mit dem früheren Osprey mit 433 Qubits vergleichbar. Mehr Qubits garantieren somit keine besseren Berechnungen; der Aufbau lieferte jedoch wichtige Erkenntnisse für Skalierung und künftige Hardware.

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

Quantencomputing kann neue wissenschaftliche Möglichkeiten eröffnen. Die folgenden Beispiele waren 2023 Forschungsrichtungen und Erwartungen; praktische Vorteile müssen für jede Anwendung nachgewiesen werden.

Medizin: Quantensimulationen von Molekülen können die Forschung an möglichen Wirkstoffen unterstützen. Sie belegen allein weder die Wirkung im menschlichen Körper noch garantieren sie eine schnellere oder kostengünstigere Arzneimittelentwicklung.

Meteorologie: Forschende untersuchen, ob Quantenalgorithmen einzelne Schritte bei der Verarbeitung von Wetter- und Klimadaten verbessern können. Mögliche Anwendungen betreffen Wettervorhersagen und die Erforschung des Klimawandels. Ein allgemeiner praktischer Vorteil für die operative Wettervorhersage war damit noch nicht belegt.

Komplexe Problem­lösung: Quantenalgorithmen werden für bestimmte schwierige Berechnungs- und Optimierungsaufgaben untersucht, unter anderem in Logistik und Lieferketten. Ein Vorteil hängt von Problem, Algorithmus und Hardware ab; nicht jedes klassisch schwierige Problem wird dadurch lösbar. Verkehr, Energie und Finanzen sind mögliche Anwendungsfelder.

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 kann neue Möglichkeiten für wissenschaftliche Entdeckungen und technische Entwicklungen eröffnen. Dies beschreibt Zukunftserwartungen der Branche und ist kein verifiziertes wörtliches Zitat von IBM-Chef Arvind Krishna.

Wichtige Hürden bestehen bei Fehlerkorrektur, Skalierbarkeit und praktischen Algorithmen. Neue Schwierigkeiten können mit wachsendem Wissen und fortschreitender Hardwareentwicklung hinzukommen. Die Komplexität der Quantenmechanik erfordert sorgfältige Erklärungen und experimentelle Prüfung.

Quantenmechanik lässt sich mit alltäglicher Anschauung nur schwer erfassen; Schlussfolgerungen müssen auf Berechnungen und Experimenten beruhen. Dies ist eine Erläuterung; für die zuvor Richard Feynman zugeschriebene wörtliche Formulierung wurde keine überprüfbare Primärquelle gefunden.

Im Jahr 2023 begrenzten Fehlerkorrektur, Skalierbarkeit und nützliche Algorithmen noch den breiten praktischen Einsatz. Optimistische Schätzungen nannten etwa ein weiteres Jahrzehnt, doch das war eine Prognose und kein fester Zeitplan.

Ausbildung künftiger Fachkräfte für Quantencomputing

Quantencomputing schien lange weit entfernt, und spezialisierte Lehrveranstaltungen waren selten. Mit der Entwicklung steigt der Bedarf an neuen Forschenden und Ingenieuren. Viele Hochschulen bieten deshalb einschlägige Kurse und Studienprogramme an.

• Das Institute for Quantum Computing der University of Waterloo verbindet akademische Forschung mit der Entwicklung von Anwendungen. Es wurde 2002 mit Unterstützung unter anderem von Mike und Ophelia Lazaridis, öffentlichen Geldgebern und der Universität gegründet. Die rund 296 Forschenden und mehr als 1.500 Publikationen des ursprünglichen Artikels sind historische Zahlen, keine aktuellen Personal- oder Publikationsstände.
• Die Universität Oxford trug zu frühen Demonstrationen von Quantenalgorithmen mittels Kernspinresonanz, NMR, bei. Dabei wurden unter anderem pseudoreine Zustände genutzt; es handelte sich nicht um einen universellen, skalierbaren Quantencomputer in einem reinen Zustand.
• Die Harvard Quantum Initiative der Harvard University 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.
• Das Center for Theoretical Physics des MIT untersucht Quantenalgorithmen und Quanteninformationstheorie als Teil der breiteren Forschung des MIT auf diesem Gebiet.
• Das Centre for Quantum Technologies, 2023 an der National University of Singapore angesiedelt, und das Berkeley Center for Quantum Information and Computation der University of California, Berkeley sind ebenfalls Vorreiter in der Quantencomputing‑Ausbildung und konzentrieren sich auf Forschung und Entwicklung von Quanten­geräten.
• Das Joint Quantum Institute der University of Maryland ist eine Kooperation der Universität mit NIST und LPS zur Erforschung der Kontrolle und Nutzung von Quantensystemen.

Branchenakteure, die Quantencomputing vorantreiben

Die folgenden Unternehmen gehörten 2023 zu den Entwicklern auf diesem Gebiet. Die statischen Börsenangaben in den Tabellen sind historische Momentaufnahmen des ursprünglichen Artikels; Geldbeträge sind gegebenenfalls in US-Dollar angegeben. Die interaktiven Kursmodule können neuere Daten anzeigen.

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

Microsoft setzte 2023 auf Cloudintegration und Zusammenarbeit. Das Unternehmen nannte IonQ, Pasqal, Quantinuum, Quantum Circuits Inc. (QCI) und Rigetti als Partner und beschrieb das Angebot mit seinem eigenen Vergleich von Quantenvolumina. Dies war kein universeller Leistungsvergleich aller Arten von Quantencomputern. Azure Quantum sollte Experimente und weitere Skalierung unterstützen. Microsoft (MSFT ) betonte ein weltweites Ökosystem und plante, langfristig einen eigenen Quantencomputer als Clouddienst über Azure anzubieten.

3.  Alphabet Inc.

GOOGL Preisdiagramm

Alphabet (GOOG ) machte über Google Quantum AI Fortschritte. Eine Studie in Nature zeigte 2023 eine bescheidene Verringerung der logischen Fehlerwahrscheinlichkeit bei Vergrößerung eines Surface-Code-Experiments: rund 2,914 Prozent je Korrekturzyklus bei Codeabstand 5 gegenüber 3,028 Prozent bei Abstand 3. Das war kein vollständig fehlerfreier Computer. Im Jahr 2019 berichtete Google, Sycamore habe eine spezielle Aufgabe zum Sampling zufälliger Quantenschaltkreise in rund 200 Sekunden ausgeführt. Google schätzte die benötigte Zeit eines klassischen Supercomputers auf 10.000 Jahre; IBM widersprach und schlug eine klassische Methode mit rund 2,5 Tagen vor. Der Vergleich betraf diesen speziellen Test, nicht sämtliche komplexen Berechnungen.

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.