IBM hat einen bedeutenden technischen Fortschritt im Bereich des Quantencomputings bekannt gegeben. Forschern gelang es, zwei Quantenprozessoren vom Typ "Nighthawk" über ein Meter lange Quantenverbindungen zu koppeln, wobei eine hohe Übertragungsgenauigkeit des Quantenzustands von 99 % beibehalten wurde. Dieser Erfolg stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung modularer Quantencomputer dar, die über die Grenzen eines einzelnen Chips hinaus skalierbar sind – eine notwendige Voraussetzung für das Zeitalter des fehlerresistenten Quantencomputings.
l-couplers: Brücken für die Quantenkommunikation
Die Forschung basierte auf sogenannten l-couplers (lange Koppler), Quantenkommunikationskanälen, die für den Betrieb in kryogenen Umgebungen konzipiert sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbindungen innerhalb eines einzelnen Chips (c-couplers) ermöglichen diese die Übertragung von Quanteninformationen zwischen physisch getrennten Prozessoren. Dies eröffnet die Möglichkeit, mehrere Prozessoreinheiten zu einem einzigen, integrierten und leistungsstarken System zu verbinden.
Das Experiment umfasste den Einsatz von vier Verbindungen aus koaxialen Aluminiumkabeln mit einer Länge von jeweils 80 Zentimetern, um zwei Nighthawk-Prozessoren innerhalb eines einzigen Kryostaten zu verbinden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Genauigkeit der Quantenzustandsübertragung in der Spitze 99,3 % erreichte, bei einem Gesamtdurchschnitt von 99 %. Zudem konnte das Team Quantengatter (CZ-Gatter) zwischen den Prozessoren mit einer Genauigkeit von 94,75 % ausführen, was die erfolgreiche Erzeugung von Quantenverschränkung zwischen den verschiedenen Prozessoreinheiten ermöglichte.
Warum stellt diese Entwicklung einen Wendepunkt dar?
Das größte Problem beim heutigen Quantencomputing ist die Schwierigkeit, die Anzahl der Qubits auf einem einzelnen Chip zu erhöhen, ohne die Fehlerraten drastisch zu steigern oder die Fertigung übermäßig zu verkomplizieren. Die von IBM verfolgte Lösung liegt in der Modularität, also der Kopplung mehrerer Prozessoren anstatt des Versuchs, einen einzigen riesigen Chip zu bauen.
Was diese Nachricht praktisch verändert:
- Überwindung physikalischer Grenzen: Der Erfolg von IBM, eine Genauigkeit von 99 % über metrische Verbindungen zu erreichen, bedeutet, dass die physische Distanz zwischen den Prozessoren kein wesentliches Hindernis mehr für die Integrität der Quantendaten darstellt.
- Wegbereitung für die Fehlerkorrektur: Die Fähigkeit, Prozessoren mit hoher Genauigkeit zu verbinden, ist eine Grundvoraussetzung für die Implementierung komplexer Quantenfehlerkorrektur-Codes, die eine große Anzahl verschränkter Qubits erfordern.
- Flexibilität im Design: Diese Verbindungen ermöglichen das Design von Quantensystemen, die durch das Hinzufügen neuer Prozessoreinheiten (Plug and Play) innerhalb modularer Kühlsysteme aufgerüstet werden können.
Zukunftsaussichten und Roadmap
IBM betont, dass dieses neue Verbindungsdesign vollständig mit den aktuellen Prozessoren kompatibel ist und den Grundstein für zukünftige Prozessoren wie IBM Quantum Starling legen wird. Das Unternehmen plant für die kommenden Phasen, die Qualität der Verbindungen zu verbessern, die Fehlerraten weiter zu senken sowie die Anzahl der Verbindungen, die in ein einzelnes System integriert werden können, zu erhöhen.
Dieser Fortschritt positioniert IBM an der Spitze des globalen Rennens um den Bau eines kommerziell nutzbaren Quantencomputers, bei dem es nicht mehr nur um die Anzahl der Qubits geht, sondern darum, wie diese Qubits harmonisch über groß angelegte modulare Plattformen hinweg zusammenarbeiten können.