IBM-Roadmap: Praktisch nutzbarer Quantencomputer bis Ende dieses Jahrzehnts

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In seiner mehr als 100-jährigen Geschichte hat IBM, das eigentlich auch heute noch mit vollem Namen International Business Machines heißt, viele Wandlungen durchgemacht – und ist wohl auch dadurch über einen derart langen Zeitraum relevant geblieben. Denn immer wieder trennte sich IBM von Bereichen wie Computer-Hardware, die zum bloßen Massengeschäft zu werden drohten, und konnte dank stets umfangreicher Forschungsarbeit zukunftsträchtigere besetzen. Der neueste davon sind Quantencomputer. Auch hier will das als Big Blue bekannte Unternehmen den Stand der Informationstechnologie vorantreiben – und hat jetzt verraten, wie weit das in den nächsten drei Jahren und darüber hinaus gehen soll.

Die klassische Computer-Technologie mit ihren digitalen Nullen und Einsen hat inzwischen Größenordnungen von mehreren Milliarden dieser Bits in einem einzigen Chip erreicht, der dann millionenfach produziert wird. Bei Quantencomputern dagegen gibt es bislang nur Einzelstücke – und das gilt sogar für die Rechen-Einheiten darin, die so genannten Qubits. Jedes einzelne davon muss mit erheblichem physikalischem Aufwand erzeugt und kontrolliert werden . Allerdings lässt sich mit jedem Qubit dann auch exponentiell mehr erreichen als mit einem normalen Bit.

Dadurch wird jedes zusätzliche Qubit zu einem erheblichen Fortschritt – und IBM hat sich vorgenommen, ihre Zahl sogar schneller zu steigern, als es über Jahrzehnte bei konventionellen Computern gelungen ist. Nach dem Moore'schen Gesetz (das eher eine Daumenregel ist) verdoppelt sich die Bit-Dichte auf Silizium-Chips ungefähr alle zwei Jahre. IBM hat jetzt kein neues Gesetz vorgeschlagen, will aber die Zahl der Qubits ebenfalls mindestens verdoppeln, und zwar jedes Jahr. Aktuell sind es 65 Qubits, für Ende 2023 ist der Quantencomputer Condor geplant, der schon mit 1121 Qubits rechnen soll.

Wie bei der Mondlandung

Das ist einem Blog-Beitrag mit dem übersetzten Titel „Die IBM-Roadmap zur Skalierung von Quantentechnologie“ zu entnehmen, den vergangene Woche Jay Gambetta veröffentlichte, als Fellow und Vice President zuständig für diesen Bereich bei Big Blue. Darin vergleicht er die Entwicklung von praktisch nutzbaren Quantencomputer mit den Herausforderungen vor der Mond-Landung 1969.

Heutige Computer seien nicht in der Lage, die feinsten Details unseres Universums genau zu erfassen, schreibt Gambetta. Zukünftige Quanten-Rechner aber würden da weitermachen, wo konventionelle an ihre Grenzen stoßen: Bei ihnen werde das quantenmechanische Verhalten von Atomen genutzt, um zum Beispiel genau dieses Verhalten zu erklären – und darüber hinaus „revolutionäre Anwendungen in vielen Branchen“ zu ermöglichen, weltverändernde Materialien zu entwickeln oder auch die Arbeitsweise von Unternehmen zu transformieren.

In einer Kombination mit einem weiteren heißen IT-Trend und wie andere große Entwickler von Quanten-Systemen wie Google oder Intel stellt IBM seine neuartigen Computer auch zur Nutzung über die Cloud zur Verfügung. Heute ist darüber laut Gembetta schon der Zugriff auf zwei Dutzend stabile Systeme möglich, auf denen Kunden und andere Interessierte experimentieren können.

Schritt für Schritt zum Großquantenrechner

Die höchste bekannte Qubit-Zahl darin hatte bislang mit 27 der Prozessor Quantum Falcon – doch in aller Stille habe IBM im September den neuen Quanten-Prozessor Hummingbird mit 65 Qubits in Betrieb genommen.

Und in mindestens solchen Schritten soll es noch einige Jahre weitergehen. Im Jahr 2021 ist nach Gembettas Roadmap der Prozessor Eagle mit 127 Qubits geplant, für 2022 Osprey mit 433 Qubits (also mehr als dreimal so vielen wie beim Vorgänger), und 2023 soll der Quanten-Prozessor Condor mit 1121 Qubits erstmals die Tausender-Marke überspringen. Und langfristig peilt IBM nach diesen Angaben Quantencomputer mit 1 Million Qubits und mehr an.

Als eine Art Schallgrenze, ab der Quantencomputer bei echten Berechnungen ihre konventionellen Vorgänger überflügeln, gelten 100 Qubits. In dieser Betrachtung wäre es bei IBM also im nächsten Jahr so weit. Allerdings weist Gambetta selbst darauf hin, dass es hier nicht auf die bloße Menge ankommt: Qubits sind heikle Gebilde, und schon die gleiche Anzahl von ihnen über einen längeren Zeitraum als einige Mikrosekunden stabil nutzbar zu halten, steigert ihr Rechen-Potenzial erheblich.

Spezielle Probleme

Tatsächlich hat Google schon im vergangenen September gemeldet, mit der relativ geringen Zahl von 53 Qubits die angestrebte Quanten-Überlegenheit erreicht zu haben: Eine Berechnung, für die der beste Supercomputer etwa 10.000 Jahre gebraucht hätte, sei mit dem Sycamore genannten System in 3 Minuten und 20 Sekunden erledigt gewesen.

Kritisiert wurde an der Triumph-Meldung allerdings zum Teil, dass das gewählte Problem speziell auf den Quantencomputer zugeschnitten gewesen sei. Von IBM hieß es außerdem, der konventionelle Super-Rechner hätte es mit einigen Optimierungen auch in zweieinhalb Tagen lösen können.

Unabhängig von solcher akademischen und zunehmend auch schon wirtschaftlichen Konkurrenz aber macht die IBM-Roadmap klar: Bei Quantencomputern geht es zunehmend in großen Schritten voran, was auch Startups in diesem Bereich begrüßten, die handfeste Argumente für die Investoren-Suche brauchen. Und Gambetta nannte einen konkreten Zeitrahmen bis zur Praxis-Nutzung der neuen Computer-Technologie: Ein fehlertoleranter Quanten-Rechner erscheine jetzt innerhalb eines Jahrzehnts erreichbar, schrieb er. (sma)