IBM verbindet zwei Nighthawk-Quantenprozessoren: Qubit-Übertragung mit 99 % Genauigkeit ebnet den Weg für modulare Supercomputer

Erstmals in der Geschichte des Quantencomputing haben IBM-Ingenieure eine stabile Übertragung von Quanteninformationen zwischen zwei unabhängigen Prozessoren mit einer Genauigkeit von rund 99 % demonstriert. Das Experiment, über das 3DNews berichtet, stellt einen Meilenstein auf dem Weg zu modularen Quantencomputern dar — Systemen, in denen mehrere separate Chips als eine einzige Einheit arbeiten. Im Grunde bringt dies die Industrie der Schaffung von Quantensupercomputern näher, die Aufgaben bewältigen können, die für einen einzelnen Die unerreichbar sind.

Zwei Nighthawks, vier Kabel, 80 Zentimeter

Dem Experiment lagen zwei supraleitende IBM Quantum Nighthawk-Prozessoren zugrunde, von denen jeder 120 Qubits enthält. Diese Chips wurden etwa ein Jahr vor dem beschriebenen Test angekündigt. Zur Kopplung verwendeten die Ingenieure vier 80 cm lange Aluminium-Koaxialkabel, die bei Mikrowellenfrequenzen von etwa 5 GHz arbeiten. Jedes Kabel bildete einen separaten Kommunikationskanal zwischen speziellen abstimmbaren Qubits an den Enden der Verbindung. Die Kabel wurden senkrecht zur Chipoberfläche installiert, und die Kontakte wurden mittels Indium-Indium-Druckverbindungen bei Raumtemperatur gesichert. Bemerkenswert ist, dass die Montage stattfand, nachdem die Prozessormodule bereits in das Kryosystem eingebaut worden waren, was Wartung und Skalierung der Anlage erheblich vereinfacht. Gleichzeitig wurde für das Experiment nur ein Teil der Qubits jedes Prozessors angeschlossen und gemessen, was eine zukünftige Erweiterung der aktiven Kanäle ermöglicht.

Verschränkung und chipübergreifende Zwei-Qubit-Operationen

Über die einfache Quantenzustandsübertragung hinaus demonstrierten die Forscher die gemeinsame Ausführung von Zwei-Qubit-Operationen und die Erzeugung verschränkter Zustände, darunter gleichzeitig über zwei benachbarte Kanäle hinweg. Die durchschnittliche Güte (Fidelity) der chipübergreifenden CZ-Operationen — gesteuertes Z, eine Zwei-Qubit-Operation zur Verknüpfung von Qubits auf verschiedenen Dies — betrug 94,75 %, während das beste aufgezeichnete Ergebnis 96,42 % erreichte. Diese Werte liegen etwas unter der Zustandsübertragungsgenauigkeit, da die Operation selbst mehrere zusätzliche Quantentransformationen umfasst. Entscheidend ist, dass alle vier Verbindungen nach drei vollständigen thermischen Aufheiz- und Abkühlungszyklen ohne Kontaktausfall funktionsfähig blieben, was die mechanische und elektrische Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen Architektur bestätigt.

L-coupler: Bewährte Funktionalität der Verbinder

Das durchgeführte Experiment zeigte deutlich, dass die zeitgleich mit den Nighthawk-Prozessoren eingeführten L-coupler-Verbinder in der Lage sind, unabhängige Quantenprozessoren zu verknüpfen und Quanteninformationen zwischen ihnen zu übertragen. Dies ist nicht nur eine Labor-Kuriosität, sondern der Beweis dafür, dass die Skalierung von Quantenrechnern technisch machbar ist. Die Möglichkeit, Chips zu Modulen zusammenzuschließen, eröffnet den Weg zu höherer Leistung und Fehlertoleranz bei Quantencomputern sowie zur Umsetzung komplexerer Algorithmen und effizienter Fehlerkorrekturcodes, die für den Übergang von Demonstrationsexperimenten zu praktischen Berechnungen unerlässlich sind.

„Starling“: Der erste modulare Quantensupercomputer bis 2029

IBM hat bereits standardmäßige Kryo-Racks für modulare Systeme entwickelt und plant, mit deren Hilfe den ersten praktisch nutzbaren modularen Quantensupercomputer mit dem Codenamen Starling zu bauen. Das erfolgreiche Experiment zur Kopplung zweier Quantenprozessoren bestätigte, dass Quantendaten zwischen benachbarten Racks und weiter entlang der Kette übertragen werden können. Laut Unternehmensangaben verfügt IBM nun über einen klaren Fahrplan, um das Ziel bis 2029 im Einklang mit dem zuvor angekündigten Entwicklungsplan für Quantentechnologien zu erreichen.

Bedeutung für die Branche

IBMs Leistung fügt sich in den allgemeinen Branchentrend ein, von Einzelchips zu modularen Architekturen überzugehen. Während die Hauptbeschränkung von Quantencomputern zuvor in der Qubit-Anzahl auf einem einzigen Die lag, verlagert sich der Fokus nun auf die Qualität der chipübergreifenden Verbindungen und die Stabilität der Verschränkung über Distanz hinweg. Eine Übertragungsgenauigkeit von rund 99 % und die Erhaltung der Funktionsfähigkeit nach thermischen Zyklen sind jene Parameter, ohne die kein modularer Quantencomputer das Forschungslabor verlassen kann. Das Nighthawk-Experiment zeigt, dass das ingenieurtechnische Fundament für diesen Übergang bereits gelegt ist und die verbleibenden Aufgaben eher systemischer als fundamentaler Natur sind.