Quantentechnischer Durchbruch, der lange Pausen zwischen Berechnungen beseitigt

Die Entwicklung des Quantencomputings verspricht, extrem komplexe mathematische und wissenschaftliche Herausforderungen in Sekundenschnelle zu lösen, während die leistungsstärksten Supercomputer von heute für dieselben Aufgaben Jahre benötigen würden. Diese Technologie ermöglicht schnellere Forschung in Bereichen wie Klimawandel, Entwicklung neuer Medikamente und synthetischer Materialien sowie fortschrittliche Lösungen für saubere Energie. IBM plant, bis 2033 im Rahmen seiner IBM Quantum Platform Systeme mit mehr als 2.000 Qubits und einer Milliarde Schaltkreisen zu entwickeln. Ein wichtiges Zwischenziel ist die Fehlerfreiheit von Systemen mit 200 Qubits und 100 Millionen „Gattern“, wobei der IBM Nighthawk r2-Prozessor mit seinen „7.500 Gattern“ einen völlig neuen Meilenstein setzt.

Bisher war die bedingte Rücksetzung die größte spürbare Verzögerung beim Betrieb von Quantensystemen. Dabei mussten die Qubits vor einer neuen Rechenrunde im Grundzustand verharren. Diese Pause dauerte typischerweise mehrere hundert Mikrosekunden und stellte einen erheblichen Engpass dar. IBM löste dieses Problem im IBM Nighthawk r2-Prozessor durch den Einsatz einer dissipativen Rücksetzungsvorrichtung. Diese nutzt einen Koppler mit hohem Dynamikbereich, um das programmierbare Qubit bei Bedarf sofort in den Grundzustand zurückzuführen. Dadurch konnte die Zeit für die Energieerhaltung des Qubits von 200 Mikrosekunden auf etwa 25 Nanosekunden reduziert werden.

Da jedes Qubit über eine eigene Verbindung zum Koppler verfügt, erfolgt das Zurücksetzen völlig unabhängig, ohne benachbarte Elemente zu beeinflussen. Die gesamte Leerlaufzeit zwischen den Zyklen wurde auf nur eine Mikrosekunde reduziert, wodurch Geschwindigkeiten von bis zu 100.000 Zyklen pro Sekunde erreicht werden. Dies ist 25-mal schneller als beim Vorgängermodell IBM Heron.

Schnellere Resets reduzieren zudem anfängliche Fehler um den Faktor 25, und der IBM Nighthawk r2-Prozessor nutzt eine Mesh-Struktur, in der die meisten Qubits mit ihren vier nächsten Nachbarn verbunden sind. Die tatsächliche Stabilität und Zuverlässigkeit dieser außergewöhnlichen Geschwindigkeiten werden sich erst in Langzeittests externer Forscher auf der IBM Quantum Platform zeigen.