IBM stellte im November 2021 seinen **„Eagle“‑Chip** vor – den ersten supraleitenden Quantenprozessor mit **127 Qubits**. Damit verdoppelte das Unternehmen nicht nur die Qubit‑Zahl gegenüber seinem Vorgängermodell „Hummingbird“ (65 Qubits), sondern setzte auch neue Maßstäbe beim Chip‑Design. Durch ein geschicktes Layout, verbesserte Verkabelung und präzisere Gatterkalibrierung demonstriert Eagle, wie sich supraleitende Technologie in Richtung fehlerkorrigierter Quantenprozessoren skalieren lässt.
Architektur und Aufbau des 127‑Qubit‑Chips
Der Eagle‑Chip basiert auf dem **Heavy‑Hex‑Lattice**: Die supraleitenden Transmon‑Qubits sind in einem hexagonalen Gitter angeordnet, das in drei ineinander verschachtelten Ebenen ausgeführt ist. Dieses Layout verringert Kreuzkopplungen zwischen benachbarten Qubits und ermöglicht eine effizientere Verdrahtung als bei rechteckigen Gittern. Alle 127 Qubits befinden sich auf einer einzigen Ebene – das **monolithische Qubit‑Layout** reduziert die Komplexität der 3D‑Verkabelung im Kryostaten.
Unter der Qubit‑Schicht liegen zwei zusätzliche Ebenen mit **Signal‑ und Steuerleitungen**. Durch diese **mehrlagige Verdrahtung** können die Mikrowellenleitungen unter den Qubits hindurchgeführt werden. Das minimiert Störungen und erlaubt es, einzelne Qubits gezielt anzusteuern. Zusätzlich hat IBM die **Gatter‑Feinabstimmung** verbessert: Neue Kalibrierprotokolle sorgen für stabile Kohärenzzeiten und eine geringere Fehlerrate pro Gatter.
Fortschritte gegenüber früheren Chip‑Generationen
Die Vorgänger „Falcon“ (27 Qubits) und „Hummingbird“ (65 Qubits) setzten bereits auf das Heavy‑Hex‑Design. Mit **Eagle** führt IBM jedoch zwei entscheidende Neuerungen ein: zum einen die monolithische Qubit‑Ebene mit integrierter Verdrahtung, zum anderen ein neuartiges Packaging, das die Qubits besser vor thermischem Rauschen schützt. Diese Verbesserungen erhöhen die **Kohärenzzeiten** und senken die **Zwei‑Qubit‑Fehlerraten**, sodass längere Quantenschaltkreise möglich sind.
Darüber hinaus wurde das **Zwei‑Qubit‑Gatterset** optimiert. IBM verwendet weiterhin die **Cross‑Resonance‑Gates**, hat aber deren Pulssequenzen verkürzt und Amplituden moduliert, um Überkopplungen zu reduzieren. Gemeinsam mit Fehler‑Mitigation‑Techniken ermöglicht das eine höhere **Fidelity** und macht den Chip zu einem wichtigen Testbett für hybride Algorithmen wie VQE und QAOA. Mehr zu diesen Algorithmen findest du im Beitrag über
Variationale Quantenalgorithmen.
Bedeutung für die IBM‑Roadmap und die Skalierung
IBM verfolgt eine ambitionierte **Roadmap**: Nach Eagle folgten 2022 der 433‑Qubit‑Chip **Osprey** und 2023 der 1 1121‑Qubit‑Chip **Condor**. Jeder dieser Meilensteine erhöht die Qubit‑Zahl um eine Größenordnung und demonstriert den Fortschritt bei Packaging und Fehlertoleranz. Eagle bildet den Übergang von zweistelligen zu dreistelligen Qubit‑Zahlen und zeigt, wie sich komplexe Qubit‑Netzwerke mit kontrollierter Kopplung realisieren lassen. Für langfristig skalierbare Quantencomputer sind **Fehlerkorrektur‑Codes** unverzichtbar; die Heavy‑Hex‑Architektur ist so ausgelegt, dass sie diese Codes effizient unterstützt.
Der Chip ist auch ein Wegweiser für IBMs **modulare Bauweise**. Zukünftige Prozessoren sollen aus mehreren 100‑Qubit‑Modulen bestehen, die über Kommunikationsleitungen oder Photonen gekoppelt werden. Ein vergleichender Überblick über unterschiedliche physikalische Qubit‑Technologien – von supraleitenden Schaltkreisen über Ionenfallen bis hin zu photonischen Ansätzen – findet sich im Artikel
Photonische vs. supraleitende Qubits.
Potenzielle Anwendungen und Experimente
Mit 127 Qubits lassen sich bereits komplexere **Quanten‑Simulationen** durchführen: Chemische Reaktionspfade, Materialeigenschaften oder Optimierungsprobleme können mit höherer Präzision modelliert werden. Auch Algorithmen wie **Grover** oder **Shor** profitieren von mehr Qubits, wenngleich eine fehlerkorrigierte Ausführung weiterhin in weiter Ferne liegt. Die Grundlagen dieser Algorithmen werden in den Beiträgen über den
Grover‑Algorithmus und den
Shor‑Algorithmus erklärt.
Neben rechenintensiven Simulationen eignet sich Eagle als Plattform, um **Fehlermitigation** und **Benchmarking** zu erforschen. Forschende testen auf dem Chip neue Methoden zur Entflechtung von Rauschen, untersuchen die Skalierung von **randomized benchmarking** und entwickeln **hybride Verfahren** für die NISQ‑Ära. Weitere Hintergründe zur Rauschunterdrückung liefert der Artikel zur
Quantenfehlerkorrektur.
Herausforderungen und Ausblick
Trotz der Fortschritte ist die Skalierung supraleitender Prozessoren anspruchsvoll: Jeder zusätzliche Qubit‑Kanal erhöht die Komplexität der Kryo‑Verdrahtung und kann zu **Kreuzkopplungen** führen. Zudem nimmt die Gesamtfehlerrate mit der Schaltkreisgröße zu. Um echte **Quantenüberlegenheit** zu erreichen, sind **fehlertolerante Codes** wie die Surface‑Codes notwendig, die mehrere physikalische Qubits zu einem logischen Qubit verbinden. Eagle demonstriert, dass Chips mit mehr als 100 Qubits gebaut werden können – der nächste Schritt besteht darin, diese Hardware mit robusten Fehlerkorrekturverfahren zu kombinieren.
In den kommenden Jahren wird IBM weitere Prozessoren mit mehreren Tausend Qubits entwickeln und gleichzeitig auf **modulare Architekturen** setzen. Diese Entwicklung ist auch für die **Quantenkryptografie** relevant, denn leistungsfähigere Prozessoren bedrohen klassische Verschlüsselung. Einen Überblick über Post‑Quantum‑Kryptografie bietet der Beitrag
Post‑Quantum‑Kryptografie.
Weiterführende Artikel
Dieses Update fasst die wichtigsten technischen Neuerungen des IBM‑Eagle‑Chips zusammen und ordnet sie in die Gesamtentwicklung von Quantenprozessoren ein. Die verlinkten Artikel bieten vertiefende Informationen zu spezifischen Themen.