IBM koppelt erstmals modulare Kryo-Einheiten und überwindet damit einen zentralen Engpass auf dem Weg zum ersten fehlertoleranten Quantencomputer bis 2029.
IBM hat einen wichtigen technischen Meilenstein in der Quanteninfrastruktur erreicht: Erfolgreiches Verbinden und Herunterkühlen zweier modularer kryogener Zellen in einer gemeinsamen ultrakalten Betriebsumgebung. Dies adressiert eine grundlegende Skalierungsherausforderung der Quanteninformatik, indem es den Übergang von isolierten, zylindrischen Kryostaten zu einer erweiterbaren Mehrchip-Systemarchitektur einleitet. Die modulare Kühlung erreicht Betriebstemperaturen von unter 15 Millikelvin—kälter als der Weltraum—und schafft damit die physischen Voraussetzungen für vernetzte Quantenprozessoren auf dem Weg zu IBMs geplantem fehlertoleranten System „IBM Quantum Starling“ im Jahr 2029.
Die Entwicklung kommerziell nutzbarer, fehlertoleranter Quantencomputer erfordert weit mehr als nur Fortschritte im Chipdesign. Supraleitende Quantenprozessoren benötigen eine extrem kalte Umgebung, um empfindliche Quantenzustände aufrechtzuerhalten und Dekohärenz durch thermisches Rauschen sowie Umgebungseinflüsse zu verhindern. Bisher basierten Quantensysteme meist auf einzelnen, zylinderförmigen Kryostaten mit integrierten Mischkühlern. Während diese Bauweise frühe Erfolge ermöglichte—von ersten Prototypen mit fünf Qubits bis hin zu Systemen mit über 1.000 Qubits wie dem IBM Quantum Condor—stößt sie bei der weiteren Skalierung an ihre Grenzen. Räumliche Einschränkungen, Engpässe bei der Verkabelung und Störsignale zwischen Qubits erschweren den Ausbau einzelner Chips erheblich.
Da künftige Leistungssteigerungen auf der Verteilung von Rechenlasten über mehrere miteinander verbundene Chips beruhen, hat IBM seine Kühlarchitektur grundlegend neugestaltet. Die neue modulare Architektur ersetzt die bisherigen Zylinder durch kastenförmige, erweiterbare Aluminiumzellen. Mit Abmessungen von über 2,4 Metern in Höhe und Breite bildet jede Einheit eine eigenständige kryogene Zelle mit eigener Vakuumkammer, Thermoshields und Kühltechnik.
Die quaderförmige Struktur erlaubt es, mehrere Module dicht nebeneinander zu platzieren. Über spezielle thermisch abgeschirmte Verbindungskanäle lassen sich Quanten- und klassische Leitungen zwischen den Zellen führen, ohne das ultrakalte Klima im Inneren zu beeinträchtigen. In Testläufen am IBM-Standort Poughkeepsie im US-Bundesstaat New York wurden zwei Prototypen erfolgreich zusammengeschaltet. Das Gesamtsystem kühlte in weniger als fünf Tagen auf 4 Kelvin ab und erreichte kurz darauf die angestrebte Betriebstemperatur von unter 15 Milli-Kelvin.
Ein wesentlicher Vorteil liegt im erweiterten Innenraum der neuen Bauform. Jedes Modul bietet ein Vakuumvolumen von 2,75 Kubikmetern sowie rund 0,53 Quadratmeter Fläche für Verkabelungen—bis zu zwölfmal mehr Kapazität als frühere IBM-Systeme. Dieser Freiraum ermöglicht die dichte Verkabelung, die für komplexe Ausleseelektronik und chipübergreifende Verbindungen erforderlich ist.
Eine Schlüsselrolle spielt dabei IBMs „L-Coupler“-Technologie. Diese speziellen Kopplungselemente verbinden separate Quantenprozessoren (QPUs) direkt innerhalb der Kryostaten über Distanzen im Meterbereich. Mithilfe dieser Verbindungen plant IBM, bis 2027 mehrere Prozessoren zu einem System mit mindestens 1.000 programmierbaren Qubits zusammenzuführen. Noch in diesem Jahr sollen dazu IBM Quantum Nighthawk-Prozessoren in den neuen Kryomodulen getestet werden.
Die modulare Bauweise beschleunigt die langfristige Entwicklungsroadmap des Unternehmens. Durch die Entkopplung von Kühlinfrastruktur und Chipentwicklung können künftige Zellgenerationen Tausende von Qubits aufnehmen, ohne dass das Gesamtsystem neu konstruiert werden muss. Zudem wurden zentrale Komponenten des IBM Quantum System Two in die neue Architektur integriert, sodass sie unabhängig voneinander weiterentwickelt, getestet und verbessert werden können.
Wie Jay Gambetta, Director von IBM Research, betont, erfordert die Skalierung von Quantencomputern für industrielle Anwendungen parallele Fortschritte in Hardware, Software und Systemtechnik. Mit der Bewältigung der räumlichen und thermischen Herausforderungen in der Kryotechnik hat IBM einen entscheidenden Engpass beseitigt. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für das Ziel, bis 2029 mit IBM Quantum Starling den weltweit ersten fehlertoleranten Quantencomputer mit fortschrittlicher Fehlerkorrektur bereitzustellen.
Dr. Jakob Jung ist Chefredakteur Security Storage und Channel Germany. Er ist seit mehr als 20 Jahren im IT-Journalismus tätig. Zu seinen beruflichen Stationen gehören Computer Reseller News, Heise Resale, Informationweek, Techtarget (Storage und Datacenter) sowie ChannelBiz. Darüber hinaus ist er für zahlreiche IT-Publikationen freiberuflich tätig, darunter Computerwoche, Channelpartner, IT-Business, Storage-Insider und ZDnet. Seine Themenschwerpunkte sind Channel, Storage, Security, Datacenter, ERP und CRM.
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