IBM Quantum Eagle durchbricht die 100-Qubit-Schallmauer

By , Oliver Dial, and Jay Gambetta | 5 minute read | November 16, 2021

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IBM Quantum kündigt heute den Eagle Chip, den neuen Quantenprozessor mit 127 Quantenbits, an. Eagle führt Quantencomputer in eine neue Ära. Er wird der erste Quantenprozessor auf dem Markt sein, der die 100-Qubit Schallmauer durchbricht. Mit Eagle wird rechnerisches Neuland betreten und ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur praktischen Quantenberechnung gelegt.

Eagle ist der nächste Schritt in einer technologischen Revolution in der Geschichte des Rechnens. Wenn Quantenprozessoren größer werden, verdoppelt jedes zusätzliche Qubit die Menge an Speicherplatz, die für die Ausführung von Algorithmen erforderlich ist. Die Zunahme dieser so genannten Raumkomplexität bringt Quantencomputer in einen rechnerischen Bereich, den ein klassischer Computer nicht erreichen kann. Während diese Revolution zur Realität wird, wird IBM weiterhin die erzielten Fortschritte bei der Quantum Hardware frühzeitig und häufig mit der wissenschaftlichen Community teilen.

Das eröffnet IBM und den Nutzer_innen die Möglichkeit der Zusammenarbeit, um noch besser zu verstehen, wie diese Systeme erforscht und weiterentwickelt werden können, um so schnell wie möglich einen Quantenvorteil, die so genannte Quantum Advantage, zu erzielen.

Die Konstruktion eines Prozessors, der die Hundert-Qubit-Grenze durchbricht, erfolgte nicht über Nacht. Wissenschaftler_innen haben jahrzehntelang die Theorie vertreten, dass ein Computer, der auf Quantenmechanik basiert, klassische Computer bei der Simulation der Natur übertreffen könnte. Die Konstruktion eines solchen Geräts ist jedoch eine enorme Herausforderung. Qubits können schon beim kleinsten Anstoß von außen dekohärent werden – oder ihre Quanteninformation vergessen. Die schnelle Entwicklung von Eagle ist zum Teil der langen Historie bei IBM zu verdanken, wo es darum geht, Pionierarbeit in der Wissenschaft zu leisten und in grundlegende Hardwaretechnologien zu investieren – einschließlich Verfahren für die zuverlässige Herstellung von Halbleitern und die Markteinführung neuer Produkte.

Die Anzahl der Qubits von Eagle ist eine Meisterleistung und stellt einen wichtigen Meilenstein auf der IBM Quantum Roadmap dar. Eagle zeigt, wie das Team von IBM Herausforderungen im Bereich Hardware und Software löst, um schließlich einen Quantencomputer zu realisieren, der in der Lage ist, praktische Probleme in Bereichen wie erneuerbaren Energien bis hin zum Finanzwesen und mehr zu lösen.

Quantenberechnungen in großem Maßstab

Die Eagle-Prozessoren von IBM Quantum enthalten fast doppelt so viele Qubits wie der Hummingbird-Prozessor mit 65 Qubits. Aber um etwas Größeres zu bauen, muss man mehr tun, als nur mehr Qubits hinzuzufügen. Techniken, die in früheren Generationen von IBM Quantum-Prozessoren entwickelt wurden, wurden kombiniert und verbessert, um eine Prozessorarchitektur mit fortschrittlichen 3D-Packaging-Techniken zu entwickeln, die das Rückgrat von Prozessoren bis hin zu dem geplanten Condor-Prozessor mit über 1.000 Qubits bilden kann. Eagle basiert auf dem Heavy-Hexagonal-Qubit-Layout, das mit dem Falcon-Prozessor erstmals vorgestellt wurde. Bei diesem Ansatz werden die Qubits mit zwei oder drei Nachbarn verbunden, als säßen sie auf den Kanten und Ecken eines mosaikartigen Sechsecks. Diese besondere Konnektivität verringert das Fehlerpotenzial, das durch Wechselwirkungen zwischen benachbarten Qubits entsteht, und führt zu einer erheblichen Steigerung der Leistungsfähigkeit von Prozessoren.

Eagle beinhaltet auch ein Auslesemultiplexing, wie es im Hummingbird R2 eingesetzt wird. Bisherige Prozessoren erforderten für jedes Qubit einen Satz an Steuer- und Ausleseelektronik. Das ist für ein paar Dutzend Qubits überschaubar, wäre aber für Prozessoren mit mehr als 100 oder gar 1.000 Qubits viel zu sperrig. Durch Multiplexing kann die Menge an Elektronik und Verkabelung drastisch reduziert werden.

Am wichtigsten ist vielleicht, dass Eagle die bisherige Expertise von IBM bei der Herstellung klassischer Prozessoren nutzt, um eine skalierbare Zugangsverdrahtung zu allen Qubits zu ermöglichen. Quantenprozessoren erfordern ein Gewirr von Leitungen, die zu ihren Rändern geführt werden müssen. Die 3D-Integration ermöglicht es, bestimmte Mikrowellenschaltungskomponenten und Leitungen auf mehreren physikalischen Ebenen zu platzieren. Während das Packaging von Qubits nach wie vor eine der größten Herausforderungen für künftige Quantencomputer darstellt, bieten die Verdrahtung auf mehreren Ebenen und andere Komponenten die Techniken, die den Weg zu Condor ermöglichen -mit minimalen Auswirkungen auf die Leistung der einzelnen Qubits.

Es gibt noch viel zu tun. Die Größe eines Quantenchips ist nur eine von drei Messgrößen, mit denen die Leistung eines Quantenprozessors gemessen wird, und die Qualität und Geschwindigkeit der Prozessoren muss weiter gesteigert werden, indem das Quantenvolumen bzw. die Circuit Layer Operations per Second (CLOPS) Benchmarks durchlaufen. Mehr darüber, wie IBM die Leistung der Prozessoren misst und verbessert, erfahren Sie hier.

Ein modulares Paradigma: IBM Quantum System Two

Mit der weiteren Skalierung der Chips erwartet IBM, dass sie über die Infrastruktur von IBM Quantum System One hinauswachsen. Daher ist der IBM Quantum System Two das Konzept für die Zukunft der Quantencomputersysteme bei IBM.

Das Herzstück des IBM Quantum System Two wird die Modularität sein. Mit diesem System wird der Hardware Flexibilität verliehen, um die Skalierbarkeit der Chips weiter zu erhöhen. Das IBM Team verfolgt dabei einen ganzheitlichen Systemansatz, um die notwendigen Ressourcen zu verstehen, und so nicht nur die kommenden Osprey- und Condor-Prozessoren zu unterstützen, sondern auch zukünftige Quantenprozessoren.

Mit System Two wird eine neue Generation skalierbarer Qubit-Steuerelektronik zusammen mit kryogenen Komponenten und Kabeln höherer Dichte eingeführt. Darüber hinaus arbeitet IBM gemeinsam mit Bluefors Cryogenics daran, die kryogene Plattform neu zu konzipieren. Die neue Plattform von Bluefors und ihr neuartiges strukturelles Design optimieren den Platz im Inneren des notwendigen Kühlkörpers, um die für größere Prozessoren erforderliche Support-Hardware unterzubringen, und stellt gleichzeitig sicher, dass Ingenieur_innen leicht auf die Hardware im Inneren zugreifen und sie warten können.

Diese Plattform bietet die Möglichkeit, einen größeren gemeinsamen kryogenen Arbeitsbereich bereitzustellen, der die Tür zu einer potenziellen Verknüpfung von Quantenprozessoren durch neuartige Verbindungsleitungen öffnet. System Two gibt einen Ausblick auf die Zukunft des Quantencomputers – ein echtes Quantenrechenzentrum.

Das Durchbrechen der 100-Qubit-Schallmauer ist eine unglaubliche Leistung des IBM Quantum-Teams. Auf dem Weg zur IBM Quantum-Roadmap werden noch weitere Fortschritte gemacht werden: Von der Erhöhung der Geschwindigkeit der Prozessoren bis hin zur Verfolgung von Quantum Advantage – vielleicht sogar schneller als erwartet – mit Hilfe von Hochleistungsrechenressourcen. Kommen Sie mit uns auf diese Reise und verfolgen Sie gemeinsam mit IBM das Ziel, Quantencomputer zu paradigmenverändernden Systemen zu skalieren, die in der Lage sind, einige der dringendsten Herausforderungen der heutigen Welt zu lösen. Es warten noch größere Dinge auf uns.