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Fortschritt beim Quantencomputing Quantensprung zu Volume 64 bei IBM

Autor / Redakteur: Anna Kobylinska und Filipe Martins* / Ulrike Ostler

Pünktlich zum Ende der Sommerpause sorgt IBM für Aufsehen. Der Blaue Riese konnte die Leistung seines 27-Qubit starken Quantum-Prozessors „Falcon“ ´mal eben auf das Quantenvolume 64 verdoppeln und zieht damit mit Honeywell gleich.

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Der 27 Qubit starke „Falcon“-Prozessor von IBM bringt es auf ein Quantenvolume von 64.
Der 27 Qubit starke „Falcon“-Prozessor von IBM bringt es auf ein Quantenvolume von 64.
(Bild: IBM)

Gerade noch im Januar konnte IBM als die weltweit erste Chip-Schmiede mit dem 28-Qubit-System „Raleigh“ ein Quantenvolume von 32 (QV32) erreichen. Doch der Rekord hat nicht lange gehalten. Denn bereits im März konnte Honeywell ein System vorstellen, das ein Quantumvolume von 64 erreicht, und zwar auf einem System, dass viel weniger komplex ist, nämlich gerade einmal auf einer Grundlage von 6 Qubits.

Trotzdem hat Honeywell behaupten können, dass das Systeme doppelt so stark sei wie die nächste Alternative. Zu diesem Zeitpunkt hatte IBM aber längst schon einen Quantencomputer mit 53 Qubits im Einsatz. Honeywell hat also ein 53 Qubit starkes System überholt und gleich einmal eine Verzehnfachung der QV-Leistung bis 2025 versprochen.

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Doch jetzt ist der Durchbruch da. Am 20. August gab Big Blue bekannt, dass Optimierungen die Leistung seines satten 27-Qubit starken „Falcon“-Prozessors auf Volume 64 (QV64) verdoppeln konnte. Damit steht den Entwicklern das erste Mal ein vergleichsweise zuverlässiger Quantencomputer zur Verfügung, der sich für viele verschiedene Algorithmen beziehungsweise Aufgaben eignet und nicht nur ein Laborgerät ist.

Qubits ≠ Qubits

„Die Herstellung von Quantencomputern, die tiefere und komplexere Probleme lösen können, ist nicht bloß eine Frage einer höheren Anzahl an Qubits", kommentiert Paul Smith-Goodson, Analyst für Quantencomputer bei Moor Insights & Strategy. „Quantenvolume“ sei ein leistungsstarkes Tool. Auch andere Anbieter von Logikgatter-basierten Quantencomputern wären gut beraten, die Messmethode als ein vorläufiges Benchmarking-Tool einzusetzen.

Beim Quantenvolume (quantum volume) handelt es sich um eine IBM-eigene Metrik, welche die Performance eines Quanten-Computers und seine Fehlerrate zum Ausdruck bringt. Der Wert berücksichtigt neben der Anzahl der Qubits (subatomarer Partikel, welche ähnlich zu klassischen Bits die kleinsten adressierbaren Recheneinheiten bilden) auch die Leistung der Quantum-Gatter-Anordnung und der Konnektivität sowie die Gesamtfehlerrate des Algorithmus und die Leistung von Compilern und dem Software-Stack.

Quantenvolumen (QV) ist eine hardware-agnostische Metrik, die IBM definiert hat, um die Leistung eines echten Quantencomputers zu messen, weil es reicht nicht ausreicht, einfach nur Qubits zu zählen. Zwar berücksichtigt das Quantenvolumen die Anzahl der Qubits aber auch die Konnektivität sowie Gate- und Messfehler. Dazu kommen materielle Verbesserungen der zugrundeliegenden physischen Hardware, wie die Erhöhung der Kohärenzzeiten, die Verringerung des Geräteübersprechens und die Effizienz der Compiler von Softwareschaltungen.
Quantenvolumen (QV) ist eine hardware-agnostische Metrik, die IBM definiert hat, um die Leistung eines echten Quantencomputers zu messen, weil es reicht nicht ausreicht, einfach nur Qubits zu zählen. Zwar berücksichtigt das Quantenvolumen die Anzahl der Qubits aber auch die Konnektivität sowie Gate- und Messfehler. Dazu kommen materielle Verbesserungen der zugrundeliegenden physischen Hardware, wie die Erhöhung der Kohärenzzeiten, die Verringerung des Geräteübersprechens und die Effizienz der Compiler von Softwareschaltungen.
(Bild: IBM)

So fließen auch Messfehler und Störungen wie das Übersprechen in die finale Metrik mit hinein. Je größer das Quantenvolumen, desto komplexere Probleme kann ein Quantencomputer bewältigen.

Das Ziel: Quantum Supremacy

Das Ziel besteht darin, eine Leistungsstufe zu erreichen, an der Quantencomputer klassische IT-Systeme in ihrer Fähigkeit zum Ausführen von Algorithmen Künstlicher Intelligenz übertrafen. Hierbei ist von dem sogenannten Quantenvorteil (quantum advantage) beziehungsweise Quantenüberlegenheit (quantum supremacy) die Rede.

Jetzt war es für IBM an der Zeit, Farbe zu bekennen. Arvind Krishna, der neue CEO bei IBM, gilt seit jeher als ein Verfechter von Quanten-Computing in der Forschung wie auch im Schulunterricht. IBMs Ingenieure mussten die Ärmel wieder hochkrempeln und siehe da: IBM hat es auf QV64 doch noch gebracht.

Im Übrigen: IBMs Team möchte das Quantenvolume von Jahr zu Jahr verdoppeln und so dem Mooreschen Gesetz im Quanten-Zeitalter im zweifachen Tempo ein neues Leben einhauchen (Gordon Moore avisierte das Verdoppeln der Anzahl klassischer Transistoren alle zwei Jahre). Seit rund vier Jahren läuft alles nach Plan.

Rüstungswettlauf um die Quanten-Dominanz

„Was unsere Quantencomputer so leistungsfähig macht“, sagte Tony Uttley, Präsident von Honeywell Quantum Solutions zum Anlass des Quantensprungs zu Quantenvolume 64, seien „Qubits von höchster Qualität mit den niedrigsten Fehlerraten“ und fügte hinzu: „eine Kombination aus identischen, vollständig verbundenen Qubits und Präzisionssteuerung“. Die QCCD-Architektur von Honeywell (quantum charge coupled device architecture) sei für das Resultat verantwortlich, hieß es in einer Pressemitteilung.

Bei IBM wollte sich das keiner zweimal sagen lassen. Durch Verbesserungen an der Hard- und Software eines bestehenden Systems hat der Blaue Riese mit seinem Rivalen jetzt gleichgezogen.

Am 20. August war es so weit. IBM konnte mit seinem 27-Qubit starken Falcon-Prozessor dank Full-Stack-Verbesserungen der Software und Hardware das Quantenvolume 64 begleichen. Durch einige Verbesserungen ist es der Chip-Schmiede gelungen, das Quantumvolume auf die stolze Zahl 64 zu verdoppeln und damit zu dem aktuellen Technologieführer Honeywell aufzuschließen. IBMs Optimierungen haben gegenüber denen von Honeywell den Vorteil, dass sie sich auf jeden Quanten-Schaltkreis anwenden lassen.

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Der erste Quantum-Computer von IBM mit QV64 sei bei einem unbenannten Kunden des Konzerns in dessen eigenem Rechenzentrum im Einsatz. 28 weitere Quantum-Systeme stünden Unternehmen in der IBM-Cloud zur Verfügung. Acht dieser Quantencomputer erreichen ein Quantenvolume von 32; diese Systeme sollen bald ein vergleichbares Upgrade erfahren.

Bisher haben sich bereits mehr als eine Viertelmillion Benutzer für den Dienst IBM Quantum Experience registriert und mehrere Hundert Milliarden Befehle auf echten Quantum-Chips ausgeführt. Die Quantencomputer werden mit ultrapräzisen Impulsen gesteuert, die den Zustand der Qubits manipulieren.

Die Entwicklung und Kalibrierung dieser Impulse ist ein aktives Forschungsgebiet, das bisher nur durch direkten Zugriff auf einen Quanten-Computer in einem Labor möglich war. Mit IBM Quantum Experience, einem Dienst aus der Cloud, können Unternehmen einen Quanten-Computer anmieten und mit integrierter Software namens Qiskit Quanten-Algorithmen per Fernzugriff entwickeln.

Diese lassen sich dann gegebenenfalls. an klassische Workloads im unternehmenseigenen Rechenzentrum anbinden. Mit grafischen Werkzeugen wie „IBM Circuit Composer“ lassen sich Quanten-Zustände visualisieren, simulieren und auf echter Quanten-Hardware ausführen.

Kooperationen und Gemeinschaften

Honeywell beliefert Microsoft mit Quantum-Chips für „Azure Quantum“. Um die Entwicklung der eigenen Lösungen zu beschleunigen und praktische Anwendungen für seine Kunden zu erforschen, ging Honeywell Ventures, der strategische Risikokapitalableger von Honeywell, auf Einkaufstour. Das Unternehmen hat zwei führenden Anbietern von Quantensoftware und -Algorithmen, Cambridge Quantum Computing (CQC) und Zapata Computing, investiert.

Die beiden Unternehmen ergänzen Honeywells eigene Quanten-Expertise um Lösungen wie die Entwicklungsplattform für Quanten-Algorithmen von CQC samt einer Reihe von kommerziellen Anwendungen in den Bereichen Chemie, maschinelles Lernen und erweiterte Cyber-Sicherheit. Auch Zapata erstellt quantenfähige Software für eine Vielzahl von Branchen und Anwendungsfällen, die sich auf einer Reihe von Quanten-Computern und klassischen Systemen im Rechenzentrum frei ausführen lassen.

IBM baut wiederum seine Kooperation mit der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. aus. Im Rahmen der Zusammenarbeit wird der Blaue Riese ein „IBM Q System One“ in einem Rechenzentrum von IBM Deutschland bei Stuttgart installieren und bereits Anfang 2021 in Betrieb nehmen, das erste seiner Art in Europa. „Der Aufbau des ersten physischen Quantencomputers auf europäischem Boden ist ein starkes Signal für den Forschungsstandort Deutschland,“ kommentierte Dr. Helge Braun, Chef des Bundeskanzleramtes.

Für die weitere Förderung eines international sichtbaren Ökosystems im Bereich der Quantentechnologien sei dieser Schritt „von großer Bedeutung“. Fraunhofer plant, etablierte Partner aus Forschung und Industrie unter dem Dach einer Forschungsinfrastruktur von Fraunhofer-Instituten zusammenzubringen.

IBM hat mit dem „Q Network“ eine eigene Gemeinschaft von Quantum-versierten Großunternehmen, Startups, akademischen Instituten und Forschungslabors aufgebaut. Dem Q Network gehören bereits über 100 Organisationen an. Mit der Fraunhofer-Gesellschaft habe IBM ein „wichtiges europäisches Mitglied“ gewinnen können, sagt Gregor Pillen, General Manager IBM DACH.

„Eine zentrale Forschungsfrage ist, welche konkreten Anwendungsszenarien sich für die Berechnung mit einem Quantencomputer eignen, wie sich Algorithmen dafür entwickeln und in einfache Applikationen übersetzen lassen“, kommentiert Fraunhofer-Präsident Professor Reimund Neugebauer.

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Quantencomputing habe das Potenzial, „die komplexen Systeme in Wirtschaft und Industrie zu analysieren, molekulare und chemische Wechselwirkungen zu entflechten, komplizierte Optimierungsprobleme zu bewältigen und Künstliche Intelligenz deutlich leistungsfähiger zu machen“, erklärt er weiter. Solche Fortschritte könnten die Tür zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen und „enormen Verbesserungen“ zum Beispiel bei Lieferketten, der Logistik und der Modellierung von Finanzdaten sowie Problemen aus den klassischen Ingenieurswissenschaften öffnen.

Das Rennen geht also mit engem Praxisbezug in die nächste Runde.

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