Minus 273,135 Grad: IBM koppelt Kühlschränke für Quantenchips

Quantenprozessoren reagieren empfindlich auf Wärme und müssen deshalb bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Für künftige Systeme reicht ein einzelner Kühlschrank jedoch nicht mehr aus. IBM hat nun erstmals zwei eigens entwickelte Kryomodule verbunden und gemeinsam betrieben. Zwei Kühlschränke werden zu einem System Die beiden würfelförmigen Module bilden zusammen eine mehr als 2,4 Meter hohe und ebenso breite Kühlumgebung. In einem ersten Test kühlte IBM das verbundene System innerhalb von weniger als fünf Tagen auf 4 Kelvin herunter, was der Temperatur von flüssigem Helium entspricht. Kurz darauf seien weniger als 15 Millikelvin erreicht worden. Umgerechnet sind das weniger als −273,135 Grad Celsius und damit höchstens noch 0,015 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Die absolute Temperatur liegt laut IBM mehr als um den Faktor 180 unter derjenigen des tiefen Weltraums. Die extreme Kälte ist nötig, weil Wärme und andere Störeinflüsse die empfindlichen Quantenzustände der Qubits beeinträchtigen und dadurch Rechenfehler verursachen können. Bei dem Versuch stand allerdings zunächst die Kühltechnik im Mittelpunkt. Quantenprozessoren waren noch nicht eingebaut. Noch in diesem Jahr will IBM jeweils einen Quantum-Nighthawk-Prozessor in die beiden Module einsetzen und damit weitere Funktionstests durchführen. Modulare Bauweise soll das Wachstum erleichtern Bisherige Kryostate sind meist zylindrisch aufgebaut und jeweils für ein eigenständiges Quantensystem vorgesehen. Die neuen Module besitzen dagegen ein kastenförmiges Gehäuse und lassen sich dicht nebeneinander aufstellen. Öffnungen und mehrlagige thermische Abschirmungen bilden zwischen benachbarten Modulen einen gekühlten Tunnel. Durch diesen können Kabel geführt werden, ohne die für den Betrieb notwendige niedrige Temperatur aufzugeben. Jedes Modul ist laut IBM ungefähr dreimal so groß wie ein gewöhnlicher Küchenkühlschrank. Die Vakuumkammer bietet 2,75 Kubikmeter Volumen und rund 0,53 Quadratmeter Fläche für die Verkabelung. Gegenüber den am häufigsten eingesetzten Quantensystemen von IBM stehe damit bis zu zwölfmal mehr Platz für Kabel zur Verfügung. Die zusätzliche Fläche wird benötigt, um mehrere Quantenchips miteinander zu verbinden. Dazu entwickelt IBM sogenannte „L-Coupler“. Diese bis zu rund einen Meter langen Verbindungen sollen Quanteninformationen zwischen getrennten Prozessoren übertragen, sodass die Chips gemeinsam wie ein größeres System arbeiten können. Die quadratische Bauweise hält die dafür nötigen Verbindungswege kürzer als bei nebeneinanderstehenden zylindrischen Kryostaten. Erste Prozessoren kommen noch 2026 Bis 2027 will IBM über die L-Coupler mehrere Prozessoren zu einem System mit mindestens 1.000 programmierbaren Qubits verbinden. Künftige Ausbaustufen eines einzelnen Kryomoduls sollen mindestens 2.000 Qubits aufnehmen können.