IBM hat erstmals zwei kryogene Module zu einer gemeinsamen Betriebsumgebung verbunden und auf unter 15 Millikelvin heruntergekühlt. Die modulare Architektur soll künftig die Vernetzung Hunderter Quantenchips ermöglichen und ist Teil der IBM Quantum Roadmap, die für 2029 die Bereitstellung des fehlertoleranten Quantencomputers „Starling“ vorsieht.

Foto: IBM Für leistungsfähigere Quantencomputer reicht die Weiterentwicklung einzelner Prozessoren allein nicht aus. Auch die technische Infrastruktur muss mit der Zahl der Qubits und der notwendigen Verbindungen zwischen mehreren Chips skalieren. IBM meldet nun einen Fortschritt bei dieser Infrastruktur: Das Unternehmen hat zwei kryogene Module miteinander verbunden und gemeinsam in Betrieb genommen. Die Architektur soll sich zu einem modularen, gemeinsam genutzten und ultrakalten System ausbauen lassen, in dem Hunderte Quantenchips miteinander vernetzt werden können.

Zwei Module auf unter 15 Millikelvin gekühlt

Die beiden ersten betriebsbereiten Module bilden zusammen ein System von mehr als 2,4 Metern Höhe und 2,4 Metern Breite. In ersten Tests konnten sie laut IBM gemeinsam innerhalb von weniger als fünf Tagen auf 4 Kelvin heruntergekühlt werden. Das entspricht der Temperatur von flüssigem Helium. Kurz darauf erreichte das System eine Endtemperatur von weniger als 15 Millikelvin. Das ist mehr als 180-mal kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung im Weltraum.

Eine wesentliche Änderung gegenüber bisherigen IBM-Quantensystemen betrifft den verfügbaren Raum. Die Vakuumkammer jedes Moduls bietet laut IBM bis zu zwölfmal mehr Platz für Verkabelung. Damit sollen sich mehr Chip-zu-Chip-Verbindungen sowohl innerhalb eines einzelnen Moduls als auch zwischen mehreren Modulen realisieren lassen.

Das kastenförmige Design ermöglicht es zudem, mehrere Module dicht nebeneinander anzuordnen. Der zusätzliche Raum soll genutzt werden, um Quantenprozessoren direkt über die von IBM entwickelte „L-Coupler“-Technologie zu verbinden. Die L-Coupler verknüpfen separate Quantenchips, sodass diese Informationen austauschen, miteinander kommunizieren und gemeinsam als Teil eines größeren Quantencomputers arbeiten können.

Gemäß der IBM Quantum Roadmap sollen bis 2027 mithilfe dieser Technik mehrere Prozessoren zu einem größeren Quantencomputer mit mindestens 1.000 programmierbaren Qubits verbunden werden. Unter programmierbaren Qubits versteht IBM dabei Qubits, die direkt für Berechnungen eingesetzt werden können.

Nighthawk als nächster Schritt, Starling für 2029 geplant

Noch im Jahr 2026 will IBM Quantum-Nighthawk-Prozessoren in die kryogenen Module integrieren und deren Leistungsfähigkeit im Betrieb weiter testen. Für den geplanten Quantencomputer Starling sieht das Unternehmen vor, dass jedes kryogene Modul Tausende Qubits aufnehmen kann.

Die Bereitstellung von IBM Quantum Starling ist für 2029 vorgesehen. Das System soll nach den Plänen des Unternehmens der weltweit erste fehlertolerante Quantencomputer werden und Fortschritte bei Fehlerkorrektur, Prozessordesign, Dekodierung und Systemtechnik zusammenführen.

Die Pläne für Starling hatte IBM bereits im vergangenen Jahr vorgestellt. Eine Grundlage dafür bildet ein neuer Fehlerkorrekturcode, der die für Fehlertoleranz notwendigen physischen Ressourcen erheblich reduziert. Seit der Vorstellung seien zudem zentrale Hardwarekomponenten nachgewiesen und bedeutende Fortschritte bei der effizienten Dekodierung von Fehlerkorrekturverfahren erzielt worden.

Foto: IBM Jay Gambetta, Director of IBM Research und IBM Fellow Jay Gambetta, Director of IBM Research und IBM Fellow, ordnet die nun erfolgte Verbindung der kryogenen Module in diese Entwicklung ein:

„Die Entwicklung fehlertoleranter Quantencomputer für industrielle Anwendungen hängt von mehreren grundlegenden technologischen Fortschritten ab. Die erfolgreiche Verbindung und der Betrieb dieser kryogenen Module stellen einen bedeutenden Schritt nach vorn dar und werden unseren Fortschritt gemeinsam mit weiteren Innovationen in Quantenhardware, Software und Algorithmen beschleunigen.“

Modulare Architektur soll Entwicklung beschleunigen

Neben der Skalierung der Hardware erwartet IBM von der neuen Architektur auch kürzere Entwicklungszyklen für die eigenen Quantencomputer. Drei wesentliche Komponenten aus der Umgebung von IBM Quantum System Two wurden demnach bereits in die neue Architektur übernommen.

Der Unterschied liegt laut IBM darin, dass die einzelnen Komponenten nun so ausgelegt sind, dass sie unabhängig voneinander getestet, verbessert und schneller weiterentwickelt werden können. Damit soll die modulare Struktur nicht nur die spätere Verbindung einer großen Zahl von Quantenchips ermöglichen, sondern auch die Weiterentwicklung der dafür benötigten technischen Komponenten erleichtern.

Die neuen kryogenen Module sind damit ein weiterer Baustein der IBM Quantum Roadmap. Nach der erfolgreichen Verbindung der ersten beiden Einheiten stehen weitere Skalierungsschritte an: Noch 2026 sollen Nighthawk-Prozessoren in den Modulen getestet werden, bis 2027 ist ein System mit mindestens 1.000 programmierbaren Qubits vorgesehen. Für 2029 plant IBM schließlich die Bereitstellung von Starling als fehlertoleranten Quantencomputer.