IBM präsentiert nächste Generation seines Quantenchips Nighthawk

Auf seiner jährlichen Quantum Developer Conference präsentierte IBM am Mittwoch die Fortschritte und weiteren Pläne für seine Quantenaktivitäten. Dort stellte das Team die nächste Generation seines Quantenprozessors mit dem Namen Nighthawk r3 vor. Dieser ist mit 520 Qubits ausgestattet und das Unternehmen plant, im kommenden Jahr zwei dieser Chips zu einem Gesamtsystem mit über tausend Qubits zu kombinieren.

Außerdem sprach das Unternehmen über jüngste Demonstrationen von Quantenvorteilen und die Verbindung von Quantencomputern und klassischer HPC-Architektur.

IBM legt den Schwerpunkt seiner Quantenaktivitäten auf Genauigkeit, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit, wie IBM-Forschungschef Jay Gambetta sagte: „Nighthawk r2 zeigt uns bereits heute, wie das aussieht.“ Mit größeren Systemen, einer engeren Anbindung an klassische Rechner und fehlertoleranten Techniken werde der Nutzen von Quantencomputern weiter steigen.

Dreifacher Quantenvorteil

Der bisherige Quantenprozessor Nighthawk r2 mit 120 programmierbaren Qubits konnte bereits mehr als 100.000 Schaltkreise pro Sekunde ausführen sowie akkurate Rechenergebnisse bei 7500 Quantenoperationen in Folge liefern. Partner berichteten, dass sie ihre Rechnungen mit Nighthawk r2 im Vergleich zum Vorgängermodell um einen Faktor bis zu 19 beschleunigen konnten. Erst kürzlich hat IBM einen zweiten Nighthawk-r2-Chip in Chicago in Betrieb genommen, der Partnern über die IBM Quantum Platform zur Verfügung steht.

Im Juli präsentierte IBM gemeinsam mit Partnern drei Szenarien, in denen Quantencomputer herkömmlichen Rechnern überlegen sind. Die Experimente fanden in Zusammenarbeit mit den Quantensoftware-Unternehmen Algorithmiq und Qedma sowie der University of Chicago statt. In allen Fällen lösten Quantencomputer spezielle Probleme schneller oder effizienter als herkömmliche Computerhardware. Insbesondere seien die Rechenergebnisse der Quantencomputer in allen drei Fällen verifizierbar.

„Vor zwei Jahren haben wir angekündigt, bis 2026 einen Quantenvorteil erreichen zu wollen“, sagte Jerry Chow, CTO des Bereichs Quantum-Centric Supercomputing bei IBM. „Diese Prognose hat sich bewahrheitet.“ Die drei Projekte würden die Reife und Leistungsfähigkeit der heutigen Quantenhardware demonstrieren.

Darüber hinaus führte das Team gemeinsam mit dem Energiekonzern E.ON Rechnungen aus, bei denen es mithilfe von Quantum Machine Learning ein Energienetz optimierte. Mit dem gemeinnützigen Gesundheitszentrum Cleveland Clinic und dem japanischen Forschungsinstitut RIKEN simulierte IBM die Struktur von Proteinkomplexen, wie sie etwa für die Erforschung von Medikamenten relevant sind. Mit 12.635 Atomen war dies eine der größten Simulationen eines biologisch relevanten Moleküls mit Quantenhardware.

Größere und genauere Quantencomputer ermöglichen zwar immer komplexere Berechnungen. IBM räumt aber ein, dass es vom Einzelfall abhänge, ob sich der Zeit- und Rechenaufwand tatsächlich lohne.

Der neue Nighthawk

Der nun angekündigte Nachfolgerchip trägt die Bezeichnung Nighthawk r3. Er stellt 520 programmierbare Qubits zur Verfügung und soll 10.000 Quantenoperationen ausführen können. Insgesamt besitzt der Chip 2034 Qubits – der Überhang ist für die Kontrolle und zur Initialisierung der programmierbaren Einheiten notwendig.

Im Gegensatz zum Vorgänger kommt er mit zehn Verbindungsstellen, sogenannten L-Couplern, um Prozessoren zu größeren Einheiten zu verbinden. Diese Technik demonstrierte IBM erstmals früher in diesem Jahr. Kommendes Jahr will IBM diese Fähigkeit demonstrieren, indem es zwei Nighthawk-r3-Chips zu einem Prozessor mit 1040 Qubits verschaltet.

Dies wird allerdings nicht der erste Quantenchip mit über tausend Qubits für das Unternehmen sein. Schon IBMs Condor stellte 1121 Qubits bereit. Anders als dieser sollen die Nighthawk-Chips aber Rechnungen mit einer hohen Präzision und Geschwindigkeit ausführen können.

Der Nachfolger Nighthawk r4 ist laut Roadmap für 2028 geplant. Dieser soll ebenso viele Qubits bereitstellen wie der r3, aber die Zahl der möglichen Rechenoperationen soll auf 15.000 pro Schaltkreis steigen.

Fehlertolerantes und hybrides Computing

Darüber hinaus arbeitet IBM an der Entwicklung der bereits angekündigten alternativen Architektur mit dem Namen Starling weiter und gab einige technische Details bekannt. Starling soll für fehlertolerantes Quantencomputing optimiert werden und hundert Millionen Rechenoperationen ausführen können. Dafür hat IBM sechs Kriterien für eine skalierbare Architektur definiert; präsentieren will das Unternehmen Starling 2029.

Für die Verringerung von Fehlern und die Auswertung von Ergebnissen ist meist eine Verknüpfung von Quantenressourcen mit klassischer Computerhardware notwendig. Deshalb arbeitet IBM an der Kombination von Quanten- und High-Performance-Computing. Auf der IBM Quantum Platform bietet das Unternehmen jetzt Schnittstellen zu klassischen Rechnern an. Bestandteile herkömmlicher Berechnungen könnten Nutzer auf eigenen Computern, einer Cloud oder Supercomputern ausführen.

Fazit

Auf seiner Quanten-Entwicklerkonferenz hat IBM insbesondere die Ergebnisse des vergangenen Jahres zusammengefasst und seine bestehende Roadmap bestätigt. Mit Nighthawk r3 hat das Unternehmen außerdem die neueste Generation seines Quantenchips vorgestellt. Die künftige Verknüpfung zweier Chips könnte leistungsfähige Rechnungen mit über tausend Qubits ermöglichen.

„Wir werden schon sehr bald wirtschaftlich relevante Probleme lösen, die für klassische Computer unlösbar sind“, sagte Oliver Dial, Vice President of Quantum Systems. Man müsse nicht unbedingt auf Starling warten, um fehlertolerantes Quantencomputing zu erreichen, sondern die Methoden würden laufend weiterentwickelt.