Hardware der IBM-Quantenprozessoren

IBM ist Vorreiter bei der Entwicklung von Quantenhardware, die supraleitende Schaltungstechnologie nutzt. Die Quantenprozessoren von IBM – zugänglich über die IBM Quantum Experience und integriert in Systeme wie das IBM Q System One – basieren auf mehreren wichtigen technologischen Prinzipien und Designmerkmalen:

Supraleitende Qubits und Transmon-Technologie

Transmon-Qubits:

Die Quantenprozessoren von IBM verwenden supraleitende Qubits, sogenannte Transmonen. Diese Qubits werden mithilfe von Josephson-Kontakten implementiert, die in supraleitende Schaltkreise eingebettet sind. Das Design minimiert die Empfindlichkeit gegenüber Ladungsrauschen und trägt so zu längeren Kohärenzzeiten bei.

Josephson-Kreuzungen:

Josephson-Kontakte (nichtlineare Induktivitäten) ermöglichen das Quantenverhalten in diesen Schaltkreisen, indem sie die Erzeugung und Manipulation diskreter Energiezustände ermöglichen. Die Anharmonizität des Transmon-Qubits (nicht äquidistante Energieniveaus) ist der Schlüssel für zuverlässige Quantengatter-Operationen.

Kryogenbetrieb und Verdünnungskühlschränke

Ultraniedrige Temperaturen:

Um die Supraleitung aufrechtzuerhalten und thermisches Rauschen zu minimieren, sind die Prozessoren von IBM in Verdünnungskühlschränken untergebracht. Diese Kühlschränke kühlen die Qubit-Chips auf Temperaturen in der Größenordnung von 10 bis 20 Millikelvin – nahe dem absoluten Nullpunkt.

Umweltisolierung:

Die kryogene Umgebung ist für die Erhaltung der Quantenkohärenz unerlässlich. Umfangreiche Abschirmungen und Filter schützen die Qubits vor elektromagnetischen Störungen und anderen Dekohärenzquellen.

Mikrowellensteuerung und -anzeige

Mikrowellenimpulse zur Steuerung:

Qubit-Zustände werden durch präzise getimte und geformte Mikrowellenimpulse manipuliert. Diese Impulse steuern Übergänge zwischen den Energieniveaus des Qubits und implementieren so Einzel-Qubit-Gatter und komplexere Zwei-Qubit-Operationen.

Gate-Implementierung:

In der IBM-Architektur kommen typischerweise Zwei-Qubit-Gatter zum Einsatz, beispielsweise das Kreuzresonanz-Gatter. Diese Gatter werden durch die Anwendung von Mikrowellenimpulsen ausgeführt, die die notwendigen Wechselwirkungen zwischen gekoppelten Qubits induzieren.

Dispersive Anzeige:

Jedes Qubit ist mit einem Resonator gekoppelt, sodass sein Zustand durch Messung von Frequenzverschiebungen des Resonators (dispersive Auslesung) ermittelt werden kann. Diese Methode ermöglicht eine zerstörungsfreie und hochpräzise Bestimmung der Qubit-Zustände.

Qubit-Konnektivität und Chip-Architektur

Qubit-Layout:

Supraleitende Qubits werden mithilfe fortschrittlicher Lithografieverfahren auf Chips aufgebracht. Das physikalische Layout optimiert die Konnektivität und ermöglicht die Implementierung sowohl von Einzel- als auch von Mehrqubit-Operationen, die für Quantenalgorithmen erforderlich sind.

Verbindungselemente und Busresonatoren:

Kopplungselemente wie Busresonatoren verbinden Qubits miteinander. Diese Koppler sind von zentraler Bedeutung für die Herstellung der Verschränkung und die Aktivierung von Zwei-Qubit-Gattern, die für die Fehlerkorrektur und die Ausführung von Algorithmen unerlässlich sind.

Integrierte Quantensysteme

IBM Q System One:

Die Quantensysteme von IBM sind mehr als nur ein Chip – sie sind vollständig integrierte Systeme. IBM Q System One beispielsweise vereint kryogene Kühlung, klassische Steuerelektronik und Fehlerminderungssysteme in einer kompakten, betriebsbereiten Einheit, die auf Stabilität und einfachen Zugriff ausgelegt ist.

Cloud-Zugriff und -Ökosystem:

Die Quantenprozessoren von IBM sind über die Cloud zugänglich. Forscher und Entwickler können mit Quantenschaltungen und -algorithmen experimentieren, indem sie die Quantum Experience-Plattform von IBM nutzen, die einen Großteil der zugrunde liegenden Hardwarekomplexität abstrahiert.

Skalierung und zukünftige Richtungen

Erhöhung der Qubit-Anzahl:

IBM hat die Anzahl der Qubits in seinen Prozessoren stetig erhöht. Neuere Chips wie der „Eagle“-Prozessor verfügen beispielsweise über mehr als 100 Qubits. Die Skalierung unter Berücksichtigung von Übersprechen, Gate-Genauigkeit und Fehlerkorrektur bleibt weiterhin eine zentrale technische Herausforderung.

Fehlerminderung und -korrektur:

Mit zunehmender Prozessorgröße ist die Implementierung robuster Fehlerminderungs- und schließlich Fehlerkorrektursysteme von entscheidender Bedeutung. IBM arbeitet aktiv an der Verbesserung der Qubit-Kohärenzzeiten und der Rechengenauigkeit, um zukünftiges fehlertolerantes Quantencomputing zu unterstützen.

Fortgeschrittene Fertigungstechniken:

Kontinuierliche Verbesserungen in der Mikrofabrikation und Materialwissenschaft sind ebenfalls der Schlüssel zur Erweiterung der Grenzen der Qubit-Leistung und der Prozessorgröße.

Zusammenfassung

Die Quantenhardware von IBM basiert auf einer ausgeklügelten Kombination aus supraleitenden Transmon-Qubits, kryogenen Systemen, Mikrowellensteuerung und integrierten Quantenarchitekturen. Diese Prozessoren sind sowohl für Spitzenforschung als auch für praktische Anwendungen konzipiert und bilden das Rückgrat von IBMs Bemühungen um skalierbares, fehlertolerantes Quantencomputing.

Diese Hardwaregrundlage ermöglicht nicht nur aktuelle Quantenexperimente, sondern schafft auch die Voraussetzungen für die Entwicklung größerer, fehlerresistenterer Quantensysteme in der Zukunft.