Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/ibm-q-mehr-qubits-von-ibm-1705-127911.html    Veröffentlicht: 18.05.2017 15:10    Kurz-URL: https://glm.io/127911

IBM Q

Mehr Qubits von IBM

IBM hat neue Quantencomputer für die Öffentlichkeit vorgestellt. Statt nur 5 haben sie jetzt 16 und 17 Qubits.

Im März 2017 ist IBM Q gestartet. Das Projekt soll der Öffentlichkeit einen Online-Zugriff auf Quantencomputer ermöglichen. Der erste dieser Quantenrechner hatte 5 Qubits. Nur zwei Monate später sollen nun zwei neue Rechner hinzukommen, mit 16 und 17 Qubits, die komplexere Berechnungen möglich machen sollen. Als Ziel hat sich IBM einen Rechner mit 50 Qubits gestellt.

Der Zugriff auf die Computer erfolgt über ein eigens von IBM entwickeltes API auf der Basis von Python, das auf GitHub zur Verfügung gestellt wird. So soll es schon jetzt vielen Leuten möglich gemacht werden, mit einfachen Quantencomputern zu experimentieren, bevor sie komplex genug für weitergehende Anwendungen sind. Dabei soll der 17-Qubit-Rechner das doppelte Quantenvolumen des 16-Qubit-Rechners haben. Das Quantenvolumen ist ein Benchmark-Wert, den IBM zur Beurteilung der Fähigkeiten von Quantencomputern eingeführt hat.

Quantenvolumen wird das neue Maß aller Quantencomputer

Die Leistung eines Quantencomputers hängt aber nicht nur von der Zahl der Qubits ab, sondern auch von der Art, wie sie miteinander verbunden sind und wie groß die Fehlerrate beim Auslesen und Manipulieren der einzelnen Qubits ist. Beides fließt in die Berechnung des Quantenvolumens mit ein. Die Quantencomputer von IBM basieren auf supraleitenden Qubits, die mit Mikrowellen manipuliert werden können. Sie haben den Vorteil, dass sie vergleichsweise einfach konstruiert und skaliert werden können.

Andere Quantencomputerarchitekturen bauen auf Ionenfallen auf, in denen die Ionen durch Laserstrahlen manipuliert werden. Sie erreichen nicht nur eine wesentlich höhere Auslesequalität, es können auch jederzeit alle Qubits in beliebiger Anordnung zur Interaktion gebracht werden. Auf einem supraleitenden Chip müssen die Verbindungen dagegen physisch hergestellt werden. Bei dem 5-Qubit-Computer sind die Qubits dagegen fest sternförmig angeordnet, wobei nur vier der zehn möglichen Verbindungen zwischen den Qubits tatsächlich in der Hardware vorhanden sind.

Ionenfallen werden durch ein Qubit-wechsel-dich simuliert

Trotzdem sind beide Architekturen prinzipiell dazu in der Lage, die gleichen Rechnungen durchzuführen. Wenn eine nötige Verbindung zwischen zwei Qubits nicht vorhanden ist, können sie zum Beispiel über ein sogenanntes Swap Gate miteinander in Verbindung gebracht werden. Die möglichen Manipulationen mit den Qubits werden als Gates bezeichnet. Mit einem Swap Gate tauschen zwei Qubits die Plätze im Rechner. Je nach Rechnung kann es auch möglich sein, die Zustände von zwei Qubits auf gegenüberliegenden Enden des Chips miteinander zu verschränken und durch die Fernwirkung (Teleportation) miteinander wechselwirken zu lassen. Aber um miteinander verschränkt zu werden, müssen die Qubits zunächst direkt verbunden sein. Also ist auch dabei ein Swap Gate nötig, es kann nur zu einem früheren Zeitpunkt passieren.

Ganz problemlos gehen solche Operationen aber nicht vonstatten. Es gibt immer die Chance, dass der Zustand der beteiligten Qubits gestört wird. Umso mehr Gates angewendet werden, desto schlechter wird die Auslesequalität des Ergebnisses am Ende der Rechnung. In einem Vergleich der beiden Architekturen wurde festgestellt, dass der supraleitende 5-Qubit-Rechner auf diese Weise eine Ionenfalle simulieren kann, dann aber nur noch in 36 Prozent der Fälle der Zustand des Rechners im Ergebnis korrekt ausgelesen wird. Bei der Ionenfalle sind es dagegen 77 Prozent.



Mehr Qubits allein helfen nicht

Bei der Berechnung des Quantenvolumens als Benchmark fließt nicht nur die Zahl der Qubits und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern beim Auslesen eines einzelnen Qubits mit ein, sondern auch die Fehler zur Herstellung der nötigen Verbindungen entstehen. Immerhin lässt sich mathematisch zeigen, dass die Anzahl der nötigen Operationen zur Simulation eines vollständig verbundenen Systems nur linear mit der Zahl der Qubits steigt.

Die Anforderungen an die Fehlerfreiheit steigen also mit der Größe des Systems, aber nicht unkontrolliert. Trotzdem reicht die bloße Steigerung der Zahl der Qubits in einem Quantenrechner nicht automatisch aus, um komplexere Berechnungen zu ermöglichen. Eine geringere Fehleranfälligkeit der Operationen kann dagegen ganz ohne zusätzliche Qubits dazu führen, dass mehr Operationen durchgeführt werden können, ohne das Resultat zu verfälschen.

Dass die Technik noch ganz am Anfang steht, zeigt sich vor allem in einem Parameter, der noch völlig fehlt. Die Zeit, die zu einer Rechnung benötigt wird, spielt in dem Benchmark keine Rolle. Er soll nur erfassen, welche Komplexität die möglichen Rechnungen mit einer gegebenen Fehlerrate erreichen können, nicht wie schnell sie durchgeführt werden können.

IBM gibt noch keine technischen Details bekannt

Die Fehlerraten bei Manipulationen an einzelnen Qubits liegen bei dem 5-Qubit-Rechner im Bereich von 0,3 Prozent. Wenn zwei Qubits an einer Manipulation beteiligt sind, wie beim Swap Gate, dann steigen die Fehlerraten auf etwa 3,5 Prozent. Das bloße Auslesen des kompletten Zustandes aller fünf Qubits ist mit 80 Prozent Wahrscheinlichkeit erfolgreich.

Beim neuen 16-Qubit-Rechner sind die Qubits in zwei parallelen Gruppen von acht Qubits angeordnet. Es sind die runden Strukturen an den Rändern des Chips im Titelbild. Der Rest des Chips dient dazu, die Verbindungen zwischen den Qubits herzustellen, und realisiert die Gates, also die Manipulationen an den Qubits. Über die Anordnung der Qubits in dem 17-Qubit-Rechner schweigt IBM derzeit auch auf Anfrage genauso, wie über alle Angaben zur Auslesequalität und den zusätzlichen Fehlern durch die Gates. Die technischen Angaben sollen erst später in einer wissenschaftlichen Arbeit veröffentlicht werden, sobald diese das Peer Review durchlaufen hat.  (fwp)


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