IBM heeft zijn eerste twee cryogene quantummodules gezamenlijk verbonden en gekoeld. Deze infrastructuur is ontworpen om in de toekomst honderden chips te koppelen binnen grotere systemen. De eerste tests hebben het geheel onder de 15 millikelvin gebracht, een technologische mijlpaal die aansluit bij de ambitie om IBM Quantum Starling te bouwen, een fouttolerante quantumcomputer gepland voor 2029.
De kernpunten van de nieuwe cryogene systemen van IBM in 30 seconden
- IBM heeft twee cryogene modules gekoppeld zodat ze binnen hetzelfde ultralaagtemperatuursmilieu functioneren.
- Het systeem bereikt eerst 4 kelvin in minder dan vijf dagen en daalt daarna onder de 15 millikelvin.
- Elk module biedt tot 12 keer meer kabelruimte dan de meest gebruikte kwantumsystemen van IBM.
- De architectuur maakt het testen van verbindingen tussen meerdere processors mogelijk en is onderdeel van de weg naar Starling in 2029.
De aankondiging lijkt misschien minder spectaculair dan de presentatie van een processor met meer qubits, maar adresseert een van de fysieke problemen bij schaalvergroting van kwantumcomputers: het is niet genoeg om steeds grotere chips te maken. Ze moeten ook worden gevoed, gecontroleerd, verbonden en in extreme thermische condities worden gehouden, zonder dat deze infrastructuur een beperking wordt.
Een quantumcomputer heeft meer nodig dan alleen qubits
Supergeleidende quantumprocessors werken bij extreem lage temperaturen. In deze condities wordt de thermische energie die de delicate qubits kan verstoren, geminimaliseerd.
Daarom gebruiken grote kwantumsystemen verdampingskoelers, gelaagde structuren die dicht bij het absolute nulpunt komen, dat op 0 kelvin (−273,15°C) ligt.
De nieuwe faciliteit van IBM breidt dit concept uit naar een modulaire architectuur.
De eerste twee operationele modules samen zijn meer dan 2,4 meter hoog en breed. Tijdens de eerste tests konden ze gezamenlijk 4 kelvin bereiken, vergelijkbaar met vloeibaar helium, in minder dan vijf dagen. Daarna daalden ze tot onder de 15 millikelvin.
IBM vergelijkt deze temperatuur met die van de dieptes van de ruimte en geeft aan dat deze meer dan 180 keer lager is.
Deze cijfers illustreren de condities waarin dit soort hardware moet functioneren, maar de temperatuur is niet het enige belangrijke aspect van de aankondiging.
Ook de ruimte binnen de koelkasten is relevant.
Elke vacuümkamer biedt tot 12 keer meer kabelruimte dan de meest gebruikte kwantumsystemen van IBM. Deze extra capaciteit is bedoeld om veel meer verbindingen tussen processors mogelijk te maken, binnen en tussen modules.
Een van de grootste uitdagingen voor de volgende generatie kwantumcomputers ligt namelijk hierin.
IBM wil opschalen door processors te koppelen
De industrie verhoogt al jaren het aantal qubits, maar het bouwen van steeds grotere monolithische processors brengt technische problemen met zich mee.
Een alternatief volgt een pad dat, met alle verschillen die de kwantumcomputing vereist, lijkt op de evolutie van andere informatiesystemen: meerdere modules combineren om grotere systemen te maken.
Het nieuwe cryogene ontwerp van IBM heeft de vorm van een kast en maakt het mogelijk verschillende eenheden in één rij te plaatsen.
Binnen deze infrastructuur worden de zogeheten L-couplers ingezet, verbindingen ontwikkeld door IBM om gescheiden chips te koppelen en zo deel te worden van een groter systeem.
IBM is van plan deze technologie in 2027 te gebruiken voor het verbinden van meerdere processors om ten minste 1.000 programmeerbare qubits te realiseren. De roadmap voorziet dat Nighthawk kan opschalen tot negen modules van 120 qubits, met in totaal tot 1.080 qubits en circuits van 10.000 poorten tijdens dat traject.
Eerst zal echter moeten blijken hoe de infrastructuur functioneert met echte processors.
IBM is van plan om in 2026 Quantum Nighthawk-processors in de nieuwe cryogene modules te installeren voor verdere operationele tests.
Nighthawk beschikt momenteel over 120 programmeerbare qubits en gebruikt een rastertopologie waarbij elk qubit tot vier buren kan verbinden. IBM ziet dit als zijn platform om de complexiteit van workloads stapsgewijs op te voeren voordat grote, fouttolerante systemen worden ontwikkeld.
Het doel is niet alleen meer qubits in een cryoceel te plaatsen. IBM moet ook bewijzen dat de cryogene condities gehandhaafd kunnen worden en dat meerdere processors tegelijk gecontroleerd kunnen worden, terwijl het aantal verbindingen flink toeneemt.
Van Nighthawk naar Starling: de grote ambitie voor 2029
De sleutel om de aankondiging beter te begrijpen, is IBM Quantum Starling.
IBM plaatst 2029 al langer als het jaar waarin het zijn eerste fouttolerante, grootschalige quantumcomputer wil aanbieden aan klanten.
Fouttolerantie is bedoeld om een van de hoofdbeperkingen van de huidige kwantumcomputing te overwinnen. Qubits zijn zeer gevoelig voor ruis en kunnen tijdens operaties fouten maken. Om lange en betrouwbare algoritmen uit te voeren, zijn mechanismen nodig die deze fouten kunnen detecteren en corrigeren, terwijl de berekening doorgaat.
IBM ontwikkelt hiervoor een architectuur gebaseerd op foutcorrectiecodes en verschillende generaties processors en verbindingen.
De planning omvat Nighthawk om de schaal en complexiteit van circuits verder te vergroten, naast architecturen zoals Kookaburra en Cockatoo, die nodig zijn voor toekomstige fouttolerante systemen.
Starling is de volgende grote doelstelling.
IBM verwacht dat het systeem 200 logische qubits zal tellen en 100 miljoen quantumoperaties of-poorten kan uitvoeren. Dit betekent een grote sprong ten opzichte van de aantallen alleen op basis van fysieke qubits.
Een logisch qubit wordt opgebouwd uit meerdere fysieke qubits met behulp van foutcorrectietechnieken. De duizenden fysieke qubits in de cryomodules moeten dus niet verward worden met de 200 logische qubits die Starling zullen bevatten.
IBM streeft er daarnanaar verder te groeien. De routekaart voorziet Blue Jay voor 2033 of later, met tot 2.000 qubits en de capaciteit voor 1 miljard quantumbewerkingen.
Deze doelen zijn zowel zakelijk als technologisch ambitieus en bevinden zich nog in de toekomst. IBM waarschuwt dat deze plannen momenteel slechts haar intenties weergeven en nog kunnen wijzigen.
Infrastructuur wordt net zo belangrijk als de processor
Het nieuwe cryogene systeem weerspiegelt ook een interessante verschuiving in de evolutie van de kwantumcomputing.
Jarenlang lag de focus vooral op de processors en het aantal qubits. Nu groeit echter het besef dat de infrastructuur rondom de chip steeds belangrijker wordt.
Koeling, besturings-elektronica, kabels, interconnects, foutdecodering en high-performance klassieke computersystemen moeten nauw samenwerken.
IBM Quantum System Two volgt deze gedachte al deels door een combinatie van schaalbare cryogene infrastructuur, modulaire besturingselektronica en klassieke verwerkers. Deze opzet maakt het mogelijk meerdere kwantumverwerkingsunits (QPU’s) binnen één datacenter te integreren.
Drie essentiële componenten van System Two zijn ook opgenomen in de nieuwe modulaire cryogene architectuur. Het idee is dat ze getest en aangepast kunnen worden zonder telkens de hele structuur opnieuw te ontwerpen.
De komende jaren groeit de uitdaging aanzienlijk.
IBM erkent dat de ontwikkeling van systemen zoals Blue Jay nieuwe besturings-electronica en cryogene infrastructuur vereist, naast verbeteringen om het fysieke volume, energieverbruik en kosten te beperken.
Dus het koppelen van twee grote cryoverversers en het bereiken van minder dan 15 millikelvin, betekent nog niet dat fouttolerante kwantumcomputing al is gerealiseerd. Het toont wel een specifiek technologische stap die nodig is om honderden onafhankelijke chips te transformeren tot één grootschalige kwantummachine.
De volgende uitdaging is om het te doen met meer processors, meer verbindingen en steeds complexere foutcorrectiesystemen, zonder dat de stabiliteit van de qubits verloren gaat.
Veelgestelde vragen
Op welke temperatuur werken de nieuwe cryogene systemen van IBM?
De eerste tests hebben de twee verbonden modules onder de 15 millikelvin gebracht, nadat ze binnen vijf dagen 4 kelvin hadden bereikt.
Waarom heeft IBM zulke grote koelsystemen nodig voor haar kwantumcomputers?
Supergeleidende processors vereisen uiterst lage temperaturen. Bovendien zullen toekomstige systemen veel meer ruimte nodig hebben voor kabels en verbindingen tussen meerdere kwantumchips.
Wat is IBM Quantum Starling?
Starling is de fouttolerante quantumcomputer die IBM voor 2029 wil aanbieden. Het systeem zou 200 logische qubits hebben en in staat zijn om 100 miljoen operaties uit te voeren.
Betekent dit dat IBM al een fouttolerante quantumcomputer heeft?
Nee. De cryogene infrastructuur is een stuk van de benodigde technologie om dat doel te bereiken. IBM moet nog verdere vooruitgang boeken in processors, verbindingstechnologie, foutcorrectie en software.
Bron: IBM-video