Die Entwicklung eines Quanteninternets durch IBM und Cisco

Die Entstehung eines Quanteninternets: Eine Analyse der Zusammenarbeit von IBM und Cisco

Die Vision eines global vernetzten Quanteninternets, das Quantencomputer, Sensoren und Kommunikationssysteme über weite Distanzen miteinander verbindet, nimmt zunehmend Gestalt an. Zwei führende Technologieunternehmen, IBM und Cisco, haben eine strategische Partnerschaft angekündigt, um die fundamentalen Herausforderungen auf diesem Weg zu bewältigen und die Grundlagen für ein solches Netzwerk zu legen. Die Zusammenarbeit zielt darauf ab, die Isolierung heutiger Quantencomputer zu überwinden und sie in ein kohärentes, verteiltes System zu integrieren.

Die Notwendigkeit eines Quantennetzwerks

Klassische Computersysteme tauschen Informationen mühelos über globale Netzwerke aus. Für Quantenmaschinen existiert eine solche Infrastruktur jedoch noch nicht. Der Aufbau eines Quantennetzwerks ist von erheblicher Komplexität, da er die Entwicklung neuer Hardware, Software und umfassende Forschungsarbeit erfordert. Die Bedeutung eines solchen Netzwerks liegt in den potenziellen Anwendungen: Quantencomputer versprechen die Lösung von Problemen in Bereichen wie Chemie, Physik und Sicherheit, die klassische Systeme Tausende von Jahren beanspruchen würden. Aktuelle Quantencomputer sind jedoch noch fehleranfällig und operieren isoliert.

Die Partnerschaft zwischen IBM und Cisco ist nicht neu; die Unternehmen arbeiten bereits seit 1999 zusammen, und Cisco verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Netzwerkforschung. Ziel ist es, in den nächsten drei bis fünf Jahren einen ersten Proof-of-Concept für ein Quantennetzwerk zu demonstrieren. Danach sollen Technologien entwickelt werden, die in den frühen 2030er Jahren mehr Maschinen über längere Distanzen miteinander verbinden können. Dieser Ansatz ist eng mit der breiteren Quanten-Roadmap von IBM verknüpft, die Schritte zu leistungsfähigeren Systemen aufzeigt.

Von stationären zu "fliegenden" Qubits

Eine der größten technischen Herausforderungen beim Aufbau eines Quantennetzwerks besteht darin, die in den Quantencomputern gespeicherten Informationen – die sogenannten stationären Qubits – in "fliegende" Qubits umzuwandeln. Diese "fliegenden" Qubits sind in der Lage, sich durch den Raum zu bewegen und Informationen zwischen verschiedenen Quantenmaschinen zu übertragen. IBMs Quantencomputer sind beispielsweise in großen kryogenen Systemen untergebracht, die auf Temperaturen gekühlt werden, bei denen sich Atome kaum bewegen. Die Umwandlung der dort gespeicherten stationären Qubits in übertragbare Einheiten ist ein kritischer Schritt.

Nach dem Nachweis des Konzepts besteht die nächste Herausforderung darin, das System über die Verbindung von zwei Maschinen hinaus zu skalieren. Das Ziel ist die Vernetzung vieler Quantencomputer an verschiedenen Standorten über weitaus größere Entfernungen. Hierfür sind neue Mikrowellen-Optik-Transducer und optisch-photonische Technologien unerlässlich.

Hardware- und Software-Entwicklung

Das Projekt erfordert eine neue Schnittstellenarchitektur für Quantencomputer. IBM entwickelt eine Quanten-Netzwerkeinheit (QNU), die als Bindeglied zwischen Quantenprozessoren (QPUs) fungieren wird. Die QNU hat die Aufgabe, stationäre Quanteninformationen in "fliegende" Quanteninformationen umzuwandeln, die an andere Maschinen gesendet werden können.

Auf der Softwareseite entwickelt Cisco ein Hochgeschwindigkeits-Framework, das das Netzwerk während der laufenden Berechnungen neu konfigurieren kann. Ziel ist es, Verschränkungen an QNUs zu liefern, sobald jede Maschine ihren Teil einer Berechnung abgeschlossen hat, wodurch das Netzwerk Quanteninformationen zwischen Systemen übertragen kann, ohne den Prozess zu unterbrechen.

Beide Unternehmen untersuchen zudem die Realisierung einer "Netzwerkbrücke". Diese Brücke würde mehrere Cisco-Quantennetzknoten nutzen, um Hunderte von IBM-QPUs über die QNU-Schnittstelle zu verbinden. Das anfängliche Ziel ist der Betrieb innerhalb eines einzelnen Rechenzentrums. Für die Übertragung von Quanteninformationen zwischen weit entfernten Standorten müssen Mikrowellen-Qubits in optische Signale umgewandelt werden, die über Glasfaserkabel geleitet werden können. Der dafür benötigte Mikrowellen-Optik-Transducer existiert derzeit jedoch noch nicht in der erforderlichen Qualität und Skalierung. Daher arbeiten IBM und Cisco mit Forschungsgruppen zusammen, darunter dem Superconducting Quantum Materials and Systems Center am Fermi National Accelerator Laboratory in der Nähe von Chicago.

Im Verlauf des Projekts planen die Unternehmen, Open-Source-Software zu veröffentlichen, um die einzelnen Komponenten zu integrieren und Forschern die Möglichkeit zu geben, auf diesen Arbeiten aufzubauen.

Eine gemeinsame Vision für ein vollständiges Quantensystem

Vijoy Pandey, Senior Vice President des Innovationsinkubators Outshift bei Cisco, betonte, dass die Unternehmen das Projekt als ein End-to-End-System betrachten und nicht als zwei getrennte Roadmaps. Diese gemeinsame Herangehensweise erhöhe die Erfolgsaussichten erheblich. IBM konzentriert sich auf die Skalierung von Quantencomputern, während Cisco die notwendige Quantenvernetzung bereitstellt. Zusammen lösen sie das Problem als ein vollständiges System, das Hardware, Software und Netzwerkintelligenz umfasst.

Sollte diese Architektur erfolgreich umgesetzt werden, könnten IBMs Quantencomputer eines Tages Arbeitslasten bewältigen, die selbst die Rechenkapazität aller klassischen Computer weltweit übersteigen. IBM geht davon aus, dass das Netzwerk Laufzeiten mit Billionen von Quantengattern unterstützen könnte – den grundlegenden Operationen, die Quantenanwendungen ermöglichen. Diese Skalierung könnte neue Wege für die Entwicklung von Medikamenten, Materialien oder anderen fortschrittlichen Systemen eröffnen.

Trotz dieser vielversprechenden Aussichten gibt es weiterhin erhebliche Unsicherheiten. Die Unternehmen räumen ein, dass der Plan von einer Reihe von Durchbrüchen abhängt, die möglicherweise nicht termingerecht eintreten. Dennoch glauben sie, dass ein umfassendes Quanteninternet, bestehend aus Tausenden von verteilten Systemen, bis in die späten 2030er Jahre realisierbar ist. Ein Netzwerk dieser Größenordnung könnte Quantensensorik, Quantenkommunikation und andere Werkzeuge ermöglichen, die Informationen über globale Distanzen austauschen.

IBM sieht auch potenzielle praktische Anwendungen. Beispielsweise könnten Quantensensornetzwerke kleinste Veränderungen im Klima oder Wetter erfassen, die klassischen Instrumenten entgehen. Diese Möglichkeiten werden jedoch erst dann realisierbar sein, wenn die derzeit noch fehleranfälligen Quantencomputer weiterentwickelt und verfeinert sind.

Der Wettlauf um fehlertolerante Quantenmaschinen

IBM verfolgt das Ziel, eine fehlertolerante Maschine zu entwickeln – nicht eine, die niemals Fehler macht, sondern eine, die auch bei auftretenden Fehlern funktionsfähig bleibt. Jüngste wissenschaftliche Fortschritte zeigen, dass Quanten-Fehlerkorrekturalgorithmen bereits auf klassischer AMD-Hardware ausgeführt werden können. Diese Forschung trägt dazu bei, ein besseres Verständnis für den Umgang mit Fehlern zu entwickeln, bis Quantensysteme selbst stark genug sind, um diese zu bewältigen.

Klassische Computer sind seit langem fehlertolerant, da ihre Designmuster es ihnen ermöglichen, auch bei Störungen weiterzuarbeiten. Quantencomputer sind jedoch wesentlich empfindlicher. Ihre Qubits reagieren sensibel auf externe Störungen, was sie anfällig für Fehler macht. Das Ziel ist daher nicht der Bau einer makellosen Maschine, sondern einer, die trotz Störungen in der Betriebsumgebung funktionsfähig bleiben kann.

Obwohl reine Quantenunternehmen oft im Rampenlicht stehen, ist IBM seit Jahrzehnten in diesem Bereich aktiv. Das Unternehmen betreibt derzeit die weltweit größte Flotte von Quantencomputern und verfügt über mehr als 25 Systeme mit über 100 logischen Qubits. Das langfristige Ziel ist es, diese in einem Netzwerk zusammenzuführen, das eines Tages Berechnungen weit jenseits der Möglichkeiten heutiger Werkzeuge unterstützen könnte.

Bibliography

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