IBM hat seinen Quantenprozessor IBM Quantum Nighthawk r2 über die IBM Quantum Platform verfügbar gemacht. Im Mittelpunkt steht dabei die Erhöhung der Menge nutzbarer Rechenleistung, die innerhalb eines einzelnen Betriebszyklus ausgeführt werden kann, statt lediglich die Zahl der Qubits zu erhöhen. Das System verfügt über 120 programmierbare Qubits. IBM zufolge kann es mehr als 100.000 Schaltkreise pro Sekunde ausführen – bis zu 25-mal mehr als die Heron-Prozessoren mit etwa 4.000 Schaltkreisen pro Sekunde.
Das Unternehmen führt diese Verbesserung auf eine neue Architektur zurück, mit der Qubits schnell und unabhängig voneinander zurückgesetzt werden können. Nach Angaben von IBM erzielte Nighthawk r2 außerdem präzise Ergebnisse bei Schaltkreisen mit mehr als 7.500 Gattern – eine Leistung, die das Unternehmen als eines der Ziele seiner Roadmap für 2026 einordnet.
Beseitigung eines Engpasses zwischen Schaltkreisen
Ein Quantenschaltkreis muss die Qubits vor der Ausführung in einen bekannten Zustand versetzen und sie nach der Messung sowie vor der Ausführung des nächsten Schaltkreises in den Grundzustand zurückführen. In früheren Generationen, darunter Heron, setzte IBM auf ein bedingtes Zurücksetzen, bei dem der Zustand des Qubits gemessen und anschließend ein Impuls angewendet wird, um es umzudrehen, wenn es sich im Zustand |1⟩ befindet. Diese Methode wird jedoch durch die Messgenauigkeit beeinflusst und erfasst keine Qubits, die aus dem Rechenzustandsraum herausfallen, was eine Wartezeit von bis zu mehreren hundert Mikrosekunden erforderlich machen kann.
Nighthawk r2 ersetzt dies durch das von IBM so genannte dissipative reset gadget. Dabei ist jedes programmierbare Qubit über einen abstimmbaren Konnektor mit hohem Dynamikbereich an eine kalte Umgebung gekoppelt. Wird der Konnektor aktiviert, sinkt die effektive Relaxationszeit T1 von durchschnittlich etwa 200 Mikrosekunden auf ungefähr 25 Nanosekunden. Nach Angaben des Unternehmens kann die Leerlaufzeit zwischen der Ausführung von Schaltkreisen auf eine Mikrosekunde reduziert werden, ohne benachbarte Qubits zu stören.
Der Nutzen zeigt sich insbesondere bei groß angelegten, wiederholten Arbeitslasten. IBM verwies auf erste Tests mit Schaltkreisen, die einen Quantenvorteil demonstrieren sollen und eine bis zu zehnfache Beschleunigung ohne Genauigkeitsverlust erzielten. Das System ermöglichte dem Unternehmen zufolge außerdem eine zwölfmal schnellere Simulation der Neutronenstreuung und die Erzeugung von Spektren, die innerhalb von etwa 60 Sekunden direkt mit Labordaten verglichen werden konnten.
Mehr Komponenten als die angegebene Qubit-Zahl
Der Prozessor besteht nicht nur aus den programmierbaren Qubits. Neben 120 Qubits verfügt Nighthawk r2 über 218 dedizierte Konnektoren und 120 unabhängige Rücksetzelemente, sodass sich insgesamt 458 tatsächlich vorhandene Quantenelemente ergeben. IBM bezeichnet das System als den bislang komplexesten von ihr produzierten Quantenprozessor, da die zusätzlichen Unterstützungselemente eine Steuerbarkeit und Fertigung erfordern, die nicht weniger wichtig sind als die Qubits, die der Nutzer direkt programmiert.
IBM zufolge behält der Prozessor eine Gattergenauigkeit auf Heron-Niveau bei und senkt den Initialisierungsfehler um etwa das 25-Fache. Das Zurücksetzen wurde außerdem so konzipiert, dass es für benachbarte Qubits sicher ist. Dies ist in der quadratischen Gitterarchitektur wichtig, in der die meisten Qubits mit vier Nachbarn verbunden sind, verglichen mit zwei oder drei in früheren Architekturen.
Unmittelbare Bedeutung für die Fehlerkorrekturforschung
Die neue Rücksetzfunktion arbeitet nicht nur zwischen Schaltkreisen, sondern auch während der Ausführung eines Schaltkreises. Dadurch eignet sie sich für dynamische Schaltkreise, bei denen Qubits während der Ausführung gemessen werden – ein Verfahren, das in vielen Protokollen zur Fehlererkennung und -korrektur sowie in Arbeitsabläufen eingesetzt wird, die Quanten- und klassische Datenverarbeitung kombinieren.
IBM weist darauf hin, dass die Fähigkeit, Hilfsqubits wiederholt zu verwenden, Experimente wie Raum-Zeit-Prüfungen sowie die Forschung an logischen Qubits unterstützt. Forschende setzten Nighthawk r2 außerdem bei Experimenten zur Probenahme aus angereicherten Clifford-Schaltkreisen ein, die mit Demonstrationen vertrauenswürdiger Quantenberechnung verbunden sind, sowie zur Schätzung beobachtbarer Größen mithilfe der Technik Probabilistic Error Amplification bei Schaltkreisen mit mehr als 7.500 Gattern.
Was ändert sich praktisch?
Die wesentliche Verbesserung liegt hier nicht allein in der Qubit-Zahl, sondern in der Verringerung der unproduktiven Zeit zwischen den Ausführungen bei gleichbleibendem Qualitätsniveau, das IBM mit den Heron-Prozessoren vergleicht. Dadurch könnten Forschende innerhalb derselben Zuweisung mehr Experimente durchführen und die Zeit reduzieren, die bei wiederholten Arbeitslasten und dynamischen Schaltkreisen für die Reinitialisierung benötigt wird.
Die genannten Leistungszahlen und experimentellen Ergebnisse beruhen jedoch auf der eigenen Ankündigung von IBM. Die Quelle enthält keinen unabhängigen Vergleich und keine vollständigen Angaben zu den Messbedingungen oder den Grenzen der Verfügbarkeit des Systems auf der Plattform. Nighthawk r2 stellt daher einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg zu Quantenhardware dar, belegt jedoch für sich genommen noch nicht den Zugang zu fehlertoleranter Quantenberechnung in einem praktischen Maßstab. Vielmehr bietet es eine schnellere experimentelle Plattform zur Untersuchung dieses Weges.