IBM hat den Nighthawk r3 angekündigt, seinen nächsten supraleitenden Quantenchip, der für die präzise Ausführung von 10.000 Operationen auf 520 programmierbaren Qubits ausgelegt ist. Das Unternehmen plant für 2027, zwei r3-Chips in einem System mit 1.040 Qubits zu verbinden.
Ein Qubit oder Quantenbit ist die Grundeinheit eines Quantencomputers. Die Nighthawk-Familie basiert auf einer sogenannten Quadratgitter-Architektur: Die meisten Qubits sind mit vier Nachbarn verbunden, gegenüber zwei oder drei bei früheren Designs. Laut IBM ermöglicht diese Konnektivität, mehr Verschränkungsstrukturen mit weniger Austauschoperationen auszudrücken.
Der derzeit in Produktion befindliche Chip, Nighthawk r2, verfügt über 120 programmierbare Qubits, 218 Koppler und 120 Reset-Elemente, insgesamt also 458 physische Elemente. Er ist über die IBM Quantum Platform in der Cloud zugänglich.
Ein schnellerer Reset
Laut IBM war die Hauptbremse früherer Prozessoren die Zurücksetzung der Qubits. Die bei Heron verwendete Methode, genannt konditionales Reset, misst das Qubit und kippt es, wenn es sich im angeregten Zustand befindet. Sie kann jedoch « leckende » Qubits nicht korrigieren, sodass der Chip zwischen zwei Ausführungen mehrere hundert Mikrosekunden inaktiv bleibt.
Nighthawk r2 ersetzt diesen Ansatz durch ein dissipatives Reset-Element für jedes Qubit. Ein einstellbarer Koppler verbindet jedes Qubit bei Bedarf mit einer kalten Umgebung. Die effektive Relaxationszeit T1 würde so von etwa 200 Mikrosekunden auf etwa 25 Nanosekunden sinken, und die Leerlaufzeit zwischen zwei Ausführungen könnte auf bis zu 1 Mikrosekunde fallen. IBM nennt folgendes Ergebnis: über 100.000 Schaltkreise pro Sekunde, gegenüber etwa 4.000 bei Heron.
Laut IBM haben Kunden bereits 34 Milliarden Schaltkreise auf Nighthawk r2 ausgeführt. Die von den Partnern gemeldeten Gewinne, die IBM als selbstdeklariert darstellt, gehen bis zum 19-fachen der Geschwindigkeit früherer Prozessoren. Der Energieversorger E.ON nennt einen 15-fachen Gewinn beim quantenmaschinellen Lernen für die Optimierung von Stromnetzen, und das Oak Ridge National Laboratory einen 12-fachen Gewinn bei einer Simulation magnetischer Materialien. Für Q-CTRL sank die Ausführungszeit einer fermionischen Simulation mit 60 Qubits von 4 Minuten 25 Sekunden auf 23 Sekunden.
Chips verbinden
Der Weg zu 1.040 Qubits führt über die l-couplers, Verbindungen zwischen Chips. IBM hat zwei Nighthawk r1-Chips mit vier dieser Verbindungen verknüpft, wobei jede ein 80 cm langes Kabel verwendet. Der Zustandstransfer soll bis zu 99,3 % erreichen, mit einem Durchschnitt von 99 %, während das erklärte Ziel 99,9 % ist. IBM gibt außerdem an, zwei kryogene Module verbunden zu haben, die in weniger als fünf Tagen unter 15 Millikelvin erreichen.
Nighthawk r3 behält das Quadratgitter und die schnellen Operationen von r2 bei, mit 2.034 physischen Qubits und zehn l-couplers. Es handelt sich jedoch noch um ein Design und nicht um ausgelieferte Hardware. Das System mit 1.040 Qubits wird als Projekt für 2027 vorgestellt.
