New York, Böblingen, Starnberg, 4. Mai 2016 – IBM Research zeigt einen ersten Quantencomputer mit fünf supraleitenden Qubits, der öffentlich zugänglich ist...
Was ist Quanten-Computing? Die grundlegendste Information, die ein Computer versteht, ist das Bit. Das Bit hat zwei Zustände: „1“ oder „0“. Ein Quantenbit kann ebenfalls „1“ oder „0“, aber auch beide Zustände gleichzeitig annehmen. Dies wird als Superposition oder „0+1“ bezeichnet. Das Vorzeichen dieser Superposition ist wichtig, da beide Zustände „0“ und „1“ eine Phasenbeziehung miteinander haben. Diese sog. "Superpositionseigenschaft" ermöglicht es einem Quantencomputer vereinfacht gesagt, die richtige Lösung unter Millionen von Möglichkeiten viel schneller als konventionelle Computer herauszusuchen.
Da Quanteninformationen sehr empfindlich sind, ist die Korrektur von Quantenfehlern eine wesentliche Voraussetzung für den Bau eines universellen Quantencomputers. Letztes Jahr präsentierten IBM Wissenschaftler erstmals einen Schaltkreis aus vier, in einem quadratischen Gitter angeordneten Quantenbits. Dieser entspricht der kleinsten vollständigen Einheit eines skalierbaren Quantencomputers mit Quantenfehlerkorrektur. Denn mit dieser Anordnung können die zwei Arten von Quantenfehlern (Bit-flip- und Phase-flip-Fehler), die in jedem Quantencomputer auftreten können, entdeckt und gemessen werden. Nun gelang durch die Kombination von fünf Qubits in der Gitterstruktur ein weiterer wichtiger Schritt hin zum Universalquantencomputer. Die Anordnung mit insgesamt fünf sog. Qubits erlaubt eine Messung der Parität (binäre Quersumme) von vier benachbarten Qubits. Dies ist eine der wichtigsten logischen Operationen in Quantencomputern und die Basis von vielen Protokollen zur Quantenfehlerkorrektur.
Quantenprozessoren müssen tiefgekühlt werden
Quanteninformationen sind wie gesehen sehr empfindlich, da Qubits bei der Wechselwirkung mit Materie und elektromagnetischer Strahlung ihre Information verlieren. Um dies zu vermeiden, befinden sich Quantenprozessoren in einem „Tiefsttemperatur-Kühlschrank“. Den IBM Wissenschaftlern gelangen demnach erst im letzten Jahr einige wichtige Entwicklungsfortschritte sowohl in der Herstellung der Qubits als auch bei deren elektronischen Ansteuerung.
- Mit dem heute vorgestellten Angebot kann jeder Interessierte mittels Desktop oder Mobilgerät über die IBM Cloud auf einen Quantenprozessor bestehend aus fünf Quantenbits (Qubits) zugreifen und Experimente durchführen. Die IBM Quantum Experience Plattform bietet Nutzern verschiedene Möglichkeiten, Quantencomputing auszuprobieren und zu entdecken: Sie können verschiedene Algorithmen testen und Experimente auf dem Quantenprozessor durchführen, mit den individuellen Qubits arbeiten sowie in Online-Seminaren und Simulationen mehr darüber erfahren.
- Der Quantenprozessor befindet sich am IBM T.J. Watson Research Center, dem Hauptsitz der IBM Forschung in Yorktown Heights, New York, U.S.A.. Die Qubits des Systems wurden mittels eines Standardverfahrens der Siliziumtechnologie hergestellt. Die hierbei verwendete Architektur von IBM Research erlaubt die Skalierung auf größere Quantensysteme und ist laut Entwickler der führende Ansatz zum Bau eines universellen Quantencomputers
Der freie Zugang soll Innovationen hin zum praktischen Einsatz von Quantencomputern beschleunigen. Für IBM ist die Quantentechnologie die Zukunft der Informationsverarbeitung. Sie hat das Potenzial bestimmte, bisher selbst für Supercomputer unlösbare Problemstellungen in Wissenschaft und Industrie wie beispielsweise in der Pharmaforschung oder den Materialwissenschaften zu lösen.
Zitat: „Quantencomputer unterscheiden sich erheblich von heutigen Computern – nicht nur in ihren Bestandteilen, sondern besonders in dem, was sie können. Die Quantentechnologie wird gerade zur Realität und mit ihr werden die Möglichkeiten von computergestützten Berechnungen weit über das heute Vorstellbare hinaus erweitert“, sagt Arvind Krishna, Senior Vice President und Direktor von IBM Research. „Dies ist die Geburtsstunde des Cloud-basierten Quantencomputings. Indem wir der Öffentlichkeit Zugang zu IBMs experimentellen Quantensystem geben, wird es für Forscher und die wissenschaftliche Gemeinschaft einfacher, Innovationen im Bereich der Quantentechnologie voranzutreiben und neue Anwendungsfelder zu entdecken.“
Youtube-Video: Cloud-basiertes Quantencomputing
Ein universeller Quantencomputer kann für die Berechnung jeder Aufgabe programmiert werden und für einige wichtige Anwendungen in Wissenschaft und Industrie exponentiell schneller sein als klassische Computer. Heute gibt es noch keine derartigen Computer, aber IBM erwartet, dass mittelgroße Systeme mit 50-100 Qubits im nächsten Jahrzehnt realisiert werden können. Ein Quantencomputer mit gerade einmal 50 Qubits könnte durch keinen Superrechner der gegenwärtigen TOP500-Liste emuliert werden. Dies zeigt das Potential dieser Technologie. Wissenschaftler arbeiten daher mit Hochdruck daran, diese Rechenleistung nutzbar zu machen. Anwendungen bei Optimierungsproblemen und der chemischen Forschung werden voraussichtlich die ersten sein, die durch Quantencomputer massiv beschleunigt werden können.
Abb. 1: Bildquelle IBM Research (Bildauszug)
IBM Quantum Experience
In Verbindung mit der Software-Expertise von IBM Research entwickelten die Forscher ein dynamisches Benutzerinterface, das es Nutzern erlaubt, einfach über die Cloud auf den Quantencomputer zuzugreifen. Für das Team ist dies nur der Beginn einer neuen Anwendergemeinschaft, die sich mit Quantencomputern und ihren Fähigkeiten befasst. Zukünftig haben die Nutzer die Möglichkeit, mit ihren Ergebnissen zu dieser Community auf der IBM Quantum Experience Plattform beizutragen. Die IBM Wissenschaftler werden zukünftig ihre neuesten Forschungsfortschritte dort ebenfalls veröffentlichen. IBM plant nach und nach weitere Qubits und neue Prozessor-Generationen zu IBM Quantum Experience hinzuzufügen, damit die Nutzer neue Erfahrungen sammeln und dabei helfen können, neue Anwendungen für diese Technologie zu entdecken.
- Mit dem offenen Zugang zur IBM Quantum Experience können Unternehmen und Organisationen nun beginnen, das Potential dieser Technologie für sich zu erschließen. Außerdem bietet sich für Universitäten die Möglichkeit, ihr Unterrichtsprogramm in Quantencomputing und verwandten Bereichen anhand von konkreten Anwendungsbeispielen auszubauen.
- Studenten erhalten hierbei die Gelegenheit, sich mit neuen Karrierewegen in Quantentechnologie vertraut zu machen.
IBM Research Frontiers Institut: Die Quantencomputer-Plattform IBM Quantum Experience ist eine Kerninitiative des neu gegründeten IBM Research Frontiers Institut. Das Institut ist ein Konsortium zur Entwicklung von neuen IT- und Computertechnologien, um wegweisende Innovationen voranzutreiben. Unternehmen von verschiedensten Industrien können IBMs Forschungsexpertise und neuste Infrastruktur nutzen, um auszuloten, welchen Einfluss Quantencomputer auf ihre Organisation und ihr Geschäftsfeld haben werden. Gründungsmitglieder des Frontiers Institute sind Samsung, JSR und Honda.
Abb. 2: Bildquelle IBM Research, Quantum Processor