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Die IBM Quantum Experience Plattform bietet Nutzern verschiedene Möglichkeiten, Quantencomputing auszuprobieren und zu entdecken. Sie können verschiedene Algorithmen testen und Experimente auf dem Quantenprozessor durchführen, mit den individuellen Qubits arbeiten sowie in Online-Seminaren und Simulationen mehr darüber erfahren, was Quantencomputer alles möglich machen könnten.
Der von IBM zur Verfügung gestellte Quantenprozessor befindet sich am IBM T.J. Watson Research Center, dem Hauptsitz der IBM Forschung in Yorktown Heights, New York, U.S.A.. Er besteht aus fünf supraleitenden Qubits auf einem Siliziumchip. Die Qubits wurden mittels eines Standardverfahrens der Siliziumtechnologie hergestellt. Die hierbei verwendete Architektur von IBM Research erlaubt die Skalierung auf grössere Quantensysteme und ist der führende Ansatz zum Bau eines universellen Quantencomputers. Ein universeller Quantencomputer kann für die Berechnung jeder Aufgabe programmiert werden und wird für einige wichtige Anwendungen in Wissenschaft und Industrie exponentiell schneller sein als klassische Computer. Heute gibt es noch keine derartigen Quantencomputer, aber IBM erwartet, dass mittelgrosse Systeme mit 50-100 Qubits im nächsten Jahrzehnt realisiert werden können. Ein Quantencomputer mit gerade einmal 50 Qubits könnte durch keinen Superrechner der gegenwärtigen TOP500-Liste emuliert werden. Dies zeigt eindrucksvoll das enorme Potential der Quantentechnologie. Wissenschaftler in diesem Forschungsgebiet arbeiten daher mit Hochdruck daran, diese Rechenleistung nutzbar zu machen. Anwendungen bei Optimierungsproblemen und der chemischen Forschung werden voraussichtlich die ersten sein, die durch Quantencomputer massiv beschleunigt werden können.
IBM Quantum Experience
Quanteninformationen sind sehr empfindlich, da Qubits bei der Wechselwirkung mit Materie und elektromagnetischer Strahlung ihre Information verlieren. Um dies zu vermeiden, befinden sich Quantenprozessoren in einem „Tiefsttemperatur-Kühlschrank“. Den IBM Wissenschaftlern gelangen einige wichtige Entwicklungsfortschritte sowohl in der Herstellung der Qubits als auch bei deren elektronischen Ansteuerung, um so den Nutzern der IBM Quantum Experience Plattform erstmals einen Prozessor mit fünf Qubits zur Verfügung zu stellen.
In Verbindung mit der Software-Expertise von IBM Research entwickelten die Forscher ein dynamisches Benutzerinterface, das es Nutzern erlaubt, einfach über die Cloud auf den Quantencomputer zuzugreifen. Für das Team ist dies nur der Beginn einer neuen Anwendergemeinschaft, die sich mit Quantencomputern und ihren Fähigkeiten befasst. Zukünftig haben die Nutzer die Möglichkeit, mit ihren Ergebnissen zu dieser Community auf der IBM Quantum Experience Plattform beizutragen und die IBM Wissenschaftler werden ihre neuesten Forschungsfortschritte dort ebenfalls veröffentlichen. IBM plant nach und nach weitere Qubits und neue Prozessor-Generationen zu der IBM Quantum Experience hinzuzufügen, damit die Nutzer neue Erfahrungen sammeln und dabei helfen können, neue Anwendungen für diese Technologie zu entdecken.
Mit dem offenen Zugang zur IBM Quantum Experience können Unternehmen und Organisationen nun beginnen, das Potential dieser Technologie für sich zu erschliessen. Ausserdem bietet sich für Universitäten die Möglichkeit, ihr Unterrichtsprogramm in Quantencomputing und verwandten Bereichen anhand von konkreten Anwendungsbeispielen auszubauen. Studenten erhalten zudem die Gelegenheit, sich mit vielversprechenden neuen Karrierewegen in Quantentechnologie vertraut zu machen.
Was ist Quantencomputing?
Die grundlegendste Information, die ein Computer versteht, ist das Bit. Vergleichbar mit einem Lichtschalter, der ein- und ausgeschaltet werden kann, hat ein Bit die zwei Zustände „1“ oder „0“. Ein Quantenbit kann ebenfalls „1“ oder „0“, aber auch beide Zustände gleichzeitig annehmen. Dies wird als Superposition oder z.B. als „0+1“ bezeichnet. Das Vorzeichen dieser Superposition ist wichtig, da beide Zustände „0“ und „1“ eine Phasenbeziehung miteinander haben. Diese Superpositionseigenschaft ermöglicht dem Quantencomputer, die richtige Lösung unter Millionen von Möglichkeiten viel schneller als konventionelle Computer herauszusuchen.
Da Quanteninformationen so empfindlich sind, ist die Korrektur von Quantenfehlern eine wesentliche Voraussetzung für den Bau eines universellen Quantencomputers. Letztes Jahr präsentierten IBM Wissenschaftler erstmals einen Schaltkreis aus vier, in einem quadratischen Gitter angeordneten Quantenbits. Dieser entspricht der kleinsten vollständigen Einheit eines skalierbaren Quantencomputers mit Quantenfehlerkorrektur. Denn mit dieser Anordnung können die zwei Arten von Quantenfehlern (sogenannte Bit-flip- und Phase-flip-Fehler), die in jedem Quantencomputer auftreten können, detektiert und gemessen werden.
Nun gelang den Wissenschaftlern durch die Kombination von fünf Qubits in der Gitterstruktur ein weiterer wichtiger Schritt hin zum Universalquantencomputer. Die Anordnung mit insgesamt fünf Qubits erlaubt eine Messung der Parität (binäre Quersumme) von vier benachbarten Qubits. Dies ist eine der wichtigsten logischen Operationen in Quantencomputern und die Basis von vielen Protokollen zur Quantenfehlerkorrektur.