IBM hat eine neue modulare Architektur für die Kühlsysteme seiner supraleitenden Quantencomputer vorgestellt. Der Schritt zielt darauf ab, die Grenzen der Skalierung von Quantenprozessoren auf einem einzigen Chip zu überwinden. Das Design basiert auf separaten Kühlzellen, die nebeneinander verbunden werden können. Dadurch lassen sich Informationen über Quanten- und herkömmliche Verbindungen zwischen mehreren Prozessoren übertragen, anstatt die Vorgänge auf einen einzigen Prozessor zu beschränken.
Die supraleitenden Quantencomputer von IBM arbeiten bei Temperaturen unter denen des Weltraums. Dafür sind spezielle Verdünnungskryostate (dilution refrigerators) und Wärmeschutzbarrieren erforderlich, um die Quantenzustände lange genug stabil zu halten, damit Berechnungen ausgeführt werden können. Das Unternehmen ist der Ansicht, dass eine Erhöhung der Qubit-Zahl nicht nur größere Prozessoren, sondern auch eine Kühlarchitektur erfordert, die mehrere Prozessoren aufnehmen und miteinander verbinden kann, während die thermische Stabilität erhalten bleibt.
Von zylindrischen Strukturen zu verbindbaren Zellen
Aktuelle Quantensysteme werden gewöhnlich in vakuumisolierten zylindrischen Behältern untergebracht. Dieser Ansatz ermöglichte es IBM, von seinem ersten über die Cloud verfügbaren Quantencomputer im Jahr 2016, der fünf Qubits umfasste, zum 2023 vorgestellten IBM-Quantum-Condor-Prozessor mit mehr als 1000 Qubits überzugehen. Die Skalierung auf einem einzigen Chip ist jedoch durch Faktoren wie Platzbedarf, Wärmeentwicklung und unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Qubits begrenzt.
Stattdessen haben die neuen Zellen eine kastenförmige Form und bestehen aus Aluminiumplatten und -strukturen. Jede Zelle verfügt über eine vollständige Kühlumgebung mit einer eigenen Vakuumkammer, Kühlausrüstung und speziellen Wärmeschutzbarrieren. Spezielle Öffnungen ermöglichen es, Quantenkabel zu den benachbarten Zellen zu führen. Die eng aneinander gesetzten Zellen verkürzen die Verbindungswege im Vergleich zu langen Verbindungen zwischen zylindrischen Behältern.
Was ändert sich praktisch?
Die Schichten des Wärmeschutzes wurden so ausgelegt, dass sie den Wärmeaustausch zwischen benachbarten Zellen begrenzen. Laut IBM sollen die Kühlzeiten und die Temperaturstabilität auch beim Hinzufügen neuer Zellen weitgehend gleich bleiben. Dadurch kann das System erweitert werden, ohne die Rechenleistung zu beeinträchtigen. Außerdem lässt sich das System Zelle für Zelle aufrüsten, anstatt bei der Einführung neuer Quantenprozessoren oder Quantenelektronik die gesamte Kühlarchitektur neu zu entwerfen.
Die verfügbare Fläche für Leitungen beträgt in jeder Zelle etwa 0,53 Quadratmeter, und das Volumen der Vakuumkammer beläuft sich auf 2,75 Kubikmeter. Das Volumen der Zelle entspricht ungefähr dem Dreifachen des Volumens eines typischen Küchenkühlschranks. Dieser Platz schafft Raum für größere Prozessoren und dichtere Konfigurationen sowie für eine größere Zahl von Verbindungen und elektronischen Komponenten innerhalb der kalten Umgebung.
Ein Schritt hin zu fehlertoleranten Quantensystemen
IBM hat die neue Architektur praktisch getestet, indem es zwei verbundene Kühlzellen in seiner Anlage in Poughkeepsie im Bundesstaat New York betrieb. Das Unternehmen betrachtet diesen Versuch als erste Validierung des Ansatzes, der für den Aufbau von Quantensystemen mit mehreren Chips erforderlich ist. Diese Systeme können Aufgaben auf verbundene Prozessoren verteilen oder sie als ein leistungsfähigeres einheitliches System betreiben.
IBM ordnet diese Architektur seinem Weg zu IBM Quantum Starling zu, den das Unternehmen als ersten fehlertoleranten Quantencomputer bezeichnet und für das Jahr 2029 erwartet. Außerdem erwartet IBM, dass künftige Versionen der einzelnen Zelle mindestens 2000 Qubits unterstützen werden. Die Systeme werden Forschern ermöglichen, Komponenten der modularen Quantenarchitektur von IBM zu testen, darunter l-Coupler, die erstmals 2024 vorgestellt wurden, um Quantenverarbeitungseinheiten über eine Entfernung von bis zu einem Meter zu verbinden.