Geen tijd om het volledige artikel te lezen? Gebruik dan de vijf onderstaande bullets voor de belangrijkste punten.

■ IBM (IBM) heeft twee grote boxvormige cryogene modules fysiek gekoppeld en gezamenlijk afgekoeld tot onder 15 millikelvin. De modules zijn nog leeg en bevatten dus nog geen quantumprocessors; later dit jaar wil IBM Nighthawk-processors installeren om de daadwerkelijke communicatie tussen afzonderlijke quantummodules te testen.
■ De doorbraak zit niet in een nieuw qubitrecord, maar in systems engineering. IBM probeert het probleem op te lossen hoe duizenden fysieke qubits kunnen worden gekoeld, bestuurd en onderling verbonden zonder dat bedrading, warmtebelasting, signaalverlies en elektromagnetische ruis de schaalbaarheid blokkeren.
■ De infrastructuur sluit rechtstreeks aan op IBM's roadmap richting minimaal 1.000 programmeerbare fysieke qubits in 2027 en Quantum Starling in 2029. Starling moet ongeveer 200 foutgecorrigeerde logische qubits combineren met circa 100 miljoen quantumoperaties en vormt daarmee een veel zwaardere technische doelstelling dan alleen meer fysieke qubits bouwen.
■ De belangrijkste resterende bottlenecks liggen bij inter-module gates, realtime foutcorrectie en de warmtebalans van de control electronics. IBM heeft state transfer over een lange microwaveverbinding met ongeveer 98,8% fidelity laten zien, maar remote two-qubit operations zitten met circa 93,3% nog duidelijk onder het niveau dat uiteindelijk voor fouttolerante systemen nodig is.
■ Onze Investment view op IBM blijft positief en wij denken dat IBM een serieuze kans heeft om uiteindelijk een van de leiders, en mogelijk de leider, in grootschalige quantum computing te worden. De reden is niet één afzonderlijke qubitchip, maar de combinatie van processors, interconnects, cryogenica, foutcorrectie, realtime decoding, control electronics en software binnen één geïntegreerde roadmap.

IBM heeft een technische mijlpaal bereikt die op het eerste gezicht minder spectaculair klinkt dan de introductie van een processor met honderden extra qubits, maar die voor de uiteindelijke schaalbaarheid van quantumcomputers mogelijk veel belangrijker is. Het bedrijf heeft in zijn laboratorium twee grote boxvormige cryogene modules fysiek met elkaar verbonden en als één thermisch systeem afgekoeld tot onder 15 millikelvin, slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt.

Wil je alle artikelen kunnen lezen en elke podcast beluisteren? Neem dan een abonnement en krijg toegang tot alle artikelen en de database met duizenden berichten.

Belangrijk is wat IBM hiermee nog níét heeft aangetoond. De twee modules zijn momenteel nog leeg en bevatten geen werkende Nighthawk-processors. Het is dus geen demonstratie van een complete multi-module quantumcomputer, maar van de cryogene infrastructuur waarop zo'n systeem later moet worden gebouwd. IBM wil later dit jaar Nighthawk-processors installeren en vervolgens testen of quantumcommunicatie tussen fysiek gescheiden processors binnen deze modulaire omgeving voldoende betrouwbaar kan functioneren.

Juist dat maakt de demonstratie technisch interessant. De ontwikkeling van quantumcomputers verschuift steeds verder van de vraag hoeveel qubits op één chip kunnen worden gebouwd naar de veel moeilijkere vraag hoe duizenden en uiteindelijk veel grotere aantallen fysieke qubits als één coherent systeem kunnen worden bestuurd. Koeling, bekabeling, interconnects, latency, foutcorrectie en klassieke besturing worden daarbij net zo belangrijk als de quantumprocessor zelf.

Investment view

Onze Investment view op IBM is positief en wij denken dat IBM een serieuze kans heeft om uiteindelijk een leidende positie in quantum computing te verwerven. Wij gaan daarbij verder dan de constatering dat IBM simpelweg een van de grote spelers is. Op basis van de huidige roadmap, de diepte van de engineeringstack en de snelheid waarmee afzonderlijke technische bottlenecks worden aangepakt, achten wij het mogelijk dat IBM uiteindelijk tot de belangrijkste infrastructuurleveranciers van fouttolerante quantumcomputing gaat behoren en zelfs als technologisch leider uit de strijd kan komen.

Dat blijft nadrukkelijk een scenario en geen zekerheid, omdat quantum computing zich nog altijd in een fase bevindt waarin meerdere fundamenteel verschillende technologieplatforms levensvatbaar zijn. Superconducting qubits, waarop IBM inzet, concurreren met onder andere trapped ions, neutral atoms, photonics en andere architecturen. Sommige daarvan claimen voordelen bij natuurlijke connectiviteit, coherentietijden of de eenvoud waarmee grote aantallen qubits kunnen worden geconfigureerd, waardoor de uiteindelijke winnaar nog niet is bepaald.

Waarom geven wij IBM desondanks een hoge kans? Omdat het bedrijf niet probeert één spectaculaire component te optimaliseren, maar vrijwel het volledige systeem tegelijkertijd ontwikkelt. IBM werkt aan processors, chipfabricage, packaging, cryogenica, microwave-interconnects, foutcorrectiecodes, realtime decoding, klassieke control electronics en software. Juist bij fouttolerante quantumcomputing verwachten wij dat deze verticale integratie steeds belangrijker wordt, omdat beperkingen in één laag direct gevolgen hebben voor alle andere lagen.

Voor het aandeel zien wij quantum computing daarom spreekwoordelijk als een call-optie op IBM. De huidige winst- en omzetontwikkeling hoeft niet afhankelijk te zijn van een commerciële quantumdoorbraak, terwijl IBM wel blootstelling houdt aan een potentieel zeer grote nieuwe computermarkt wanneer fouttolerante quantumtechnologie daadwerkelijk economisch bruikbaar wordt. Naarmate IBM technische risico's rondom koeling, interconnects, foutcorrectie en schaalbaarheid aantoonbaar verkleint, kan de waarschijnlijkheidsgewogen waarde van die call-optie toenemen zonder dat de traditionele IBM-business daarvoor eerst fundamenteel hoeft te veranderen.

Wat IBM precies heeft gebouwd

De twee nieuwe cryogene modules vormen samen een installatie die meer dan 8 feet, ongeveer 2,4 meter, hoog én breed is. De constructie bestaat uit boxvormige cellen die afzonderlijk als cryogene modules kunnen functioneren, maar vervolgens mechanisch en thermisch met elkaar kunnen worden verbonden.

IBM bracht het gecombineerde systeem in minder dan vijf dagen terug tot ongeveer 4 kelvin en koelde het vervolgens verder naar beneden tot onder 15 millikelvin. Zelfs wanneer een gesimuleerde warmtelast van ongeveer 30 microwatt op de koudste zone wordt aangebracht, blijft een temperatuur rond 23 millikelvin mogelijk. Dat is relevant, omdat toekomstige processors, bekabeling en controlcomponenten onvermijdelijk warmte toevoegen.

Iedere module biedt ongeveer 0,53 vierkante meter bruikbaar oppervlak voor bedrading en een vacuümvolume van circa 2,75 kubieke meter. De beschikbare bedradingsruimte ligt daarmee tot ongeveer twaalf keer hoger dan bij eerdere cilindervormige configuraties. Die cijfers lijken misschien secundair naast het aantal qubits, maar ze raken precies aan het probleem dat ontstaat wanneer een laboratoriumprototype moet worden opgeschaald tot een echte computerarchitectuur: de ruimte voor kabels, feedthroughs, filters, versterkers en thermische verankering groeit in traditionele cryostaten niet automatisch mee met het aantal qubits.

Wil je alle artikelen kunnen lezen en elke podcast beluisteren? Neem dan een abonnement en krijg toegang tot alle artikelen en de database met duizenden berichten.

Waarom superconducting qubits zo extreem koud moeten worden

IBM gebruikt superconducting qubits, waaronder transmonachtige architecturen. Deze kunnen worden gezien als kunstmatige quantummechanische systemen die zijn opgebouwd uit supergeleidende elektrische circuits met Josephson-juncties.

Een conventionele LC-resonator heeft gelijkmatig verdeelde energieniveaus en is daardoor moeilijk bruikbaar als qubit. De Josephson-junctie introduceert de noodzakelijke non-lineariteit, waardoor de energieniveaus ongelijk worden verdeeld en twee niveaus selectief als de quantumtoestanden |0⟩ en |1⟩ kunnen worden aangestuurd.

De relevante overgangsfrequenties liggen doorgaans in het microwavegebied van enkele gigahertz. Daarmee zijn de energieverschillen tussen de toestanden bijzonder klein. Volgens de Boltzmann-statistiek wordt de verhouding tussen thermische populaties exponentieel bepaald door de verhouding tussen de energie van de quantumovergang en de thermische energie. Die thermische energie wordt bepaald door de Boltzmann-constante vermenigvuldigd met de absolute temperatuur. Wanneer de temperatuur te hoog is, kunnen thermische fluctuaties een qubit spontaan naar een aangeslagen toestand brengen, waardoor de initialisatiefout toeneemt en betrouwbare quantumoperaties moeilijk worden.

Om de thermische populatie van aangeslagen toestanden sterk te onderdrukken, moeten superconducting qubits daarom tot temperaturen in de orde van 10 tot 20 millikelvin worden gekoeld. Bij zulke temperaturen kunnen coherentietijden lang genoeg worden om grote aantallen gecontroleerde quantumoperaties uit te voeren voordat de opgeslagen quantuminformatie door interactie met de omgeving verloren gaat.

Hoe een dilution refrigerator die temperatuur bereikt

De extreme temperatuur wordt bereikt met een dilution refrigerator. Het koelproces verloopt via verschillende thermische niveaus, omdat het praktisch onmogelijk is een systeem rechtstreeks van ongeveer 300 kelvin naar enkele millikelvin te brengen.

Eerst gebruiken pulse-tube coolers gesloten koelcycli om de bovenste delen van de installatie naar tientallen kelvin en vervolgens richting ongeveer 4 kelvin te brengen. Daarna neemt een mengsel van helium-3 en helium-4 het over. Bij zeer lage temperaturen scheidt dit mengsel zich in twee fasen. Wanneer helium-3-atomen van een geconcentreerde fase naar een verdunde heliumfase bewegen, absorberen zij warmte uit de omgeving. Door dit proces continu in stand te houden kan de mixing chamber uiteindelijk tot enkele millikelvin worden afgekoeld.

Het beschikbare koelvermogen op het koudste niveau is echter zeer beperkt en juist dat maakt opschaling moeilijk. Iedere kabel geleidt een kleine hoeveelheid warmte vanuit warmere gedeelten van het systeem naar beneden, terwijl attenuators, filters, amplifiers en control electronics zelf eveneens energie kunnen dissiperen. Bij enkele tientallen of honderden qubits kan dat nog worden beheerst met conventionele architecturen, maar bij duizenden qubits wordt thermisch management een systeemprobleem.

Het echte probleem is niet meer alleen hoeveel qubits op een chip passen

Veel publieke quantumdiscussies blijven sterk gericht op qubitcount, terwijl dat voor de volgende fase van de technologie een steeds minder volledige maatstaf wordt. Iedere fysieke qubit moet worden aangestuurd, gekalibreerd en uitgelezen. Superconducting qubits vereisen daarvoor verschillende microwave- en, afhankelijk van de architectuur, fluxlijnen. Daarnaast zijn readoutresonatoren, filters, versterkers, couplers en timinghardware nodig.

Wanneer een systeem van honderd naar duizend en vervolgens naar tienduizenden fysieke qubits groeit, groeit daardoor ook de benodigde controlinfrastructuur. De vraag wordt uiteindelijk niet alleen hoeveel qubits kunnen worden gefabriceerd, maar hoeveel signalen fysiek door een cryogene omgeving kunnen worden geleid voordat warmte, elektromagnetische interferentie en beschikbare ruimte de schaal blokkeren.

Traditionele cilindervormige cryostaten worden daarbij beperkt door hun geometrie. De oppervlakte waarlangs signalen naar binnen kunnen worden gebracht groeit veel minder efficiënt dan de hoeveelheid hardware die men uiteindelijk in de cryostaat wil plaatsen. De boxvormige modules van IBM proberen juist die geometrische beperking te doorbreken.

Waarom IBM voor modulariteit kiest

IBM probeert niet één steeds grotere cryostaat te bouwen waarin uiteindelijk alle toekomstige quantumprocessors moeten worden geplaatst. De strategie lijkt steeds nadrukkelijker op de manier waarop klassieke supercomputers worden opgeschaald: meerdere afzonderlijke bouwstenen worden via hoogwaardige verbindingen samengevoegd tot één groter systeem.

Iedere cryogene cel kan een eigen gecontroleerde omgeving vormen. Wanneer modules naast elkaar worden geplaatst, kunnen thermische shields en verbindingszones zo worden gekoppeld dat een beschermde koude corridor tussen de systemen ontstaat. Via die route kunnen de quantum-interconnects lopen. Het voordeel is dat toekomstige schaal niet volledig afhankelijk wordt van de maximale omvang van één cryostaat. Extra compute kan in principe worden toegevoegd door nieuwe modules naast bestaande systemen te plaatsen, zolang de verbindingen tussen die modules voldoende betrouwbaar blijven.

Modulariteit helpt bovendien bij serviceability. In een volwassen quantumdatacenter zal onderhoud uiteindelijk een belangrijke operationele factor worden. Een architectuur waarin afzonderlijke onderdelen kunnen worden onderhouden zonder een complete machine voor lange tijd buiten gebruik te stellen, kan daarom economisch aantrekkelijker worden dan één monolithisch systeem. Het moeilijkste probleem verschuift vervolgens naar de kwaliteit van de verbinding tussen die afzonderlijke modules.

L-couplers moeten van verschillende chips één quantumcomputer maken

IBM werkt daarvoor met long-range couplers, of L-couplers. Het doel van deze verbindingen is een quantumtoestand over een fysieke afstand tussen processors te transporteren zonder de coherentie van die toestand te verliezen.

Dat is fundamenteel moeilijker dan informatieoverdracht in een klassieke computer. Een klassiek elektrisch signaal kan onderweg worden versterkt, geregenereerd en opnieuw geklokt. Een onbekende quantumtoestand kan vanwege het no-cloning theorem niet simpelweg worden gekopieerd en opnieuw uitgezonden. De quantuminformatie zelf moet daarom coherent van de verzendende qubit via de interconnect naar de ontvangende qubit worden overgedragen.

IBM gebruikt hiervoor supergeleidende microwaveverbindingen. Een toestand kan worden gekoppeld aan een elektromagnetische modus in de transmissielijn, door de verbinding worden getransporteerd en vervolgens aan een qubit aan de ontvangende kant worden overgedragen. Wanneer dat correct gebeurt, wordt de quantumamplitude verplaatst zonder dat tussentijds een klassieke meting plaatsvindt die de superpositie zou vernietigen.

98,8% state-transfer fidelity is sterk, maar nog niet het einddoel

IBM heeft eerder over een microwaveverbinding van ongeveer 60 centimeter state-transfer fidelity tot ongeveer 98,8% laten zien. Daarmee is een fundamentele stap bewezen: quantuminformatie kan coherent over een afstand worden verplaatst die relevant is voor een modulaire computerarchitectuur.

Voor fouttolerante quantumcomputing is state transfer echter niet voldoende, omdat de verschillende processors ook gezamenlijk quantumlogica moeten kunnen uitvoeren. Bij een remote CNOT-operatie, opgebouwd uit lokale gates en state transfers, lag de eerder gerapporteerde fidelity rond 93,3%. Dat resultaat is inmiddels enkele maanden oud, maar geeft goed aan waar de bottleneck ligt die IBM verder moet oplossen.

Een fidelity van 93,3% betekent dat dergelijke operaties nog niet betrouwbaar genoeg zijn om zonder zeer hoge error-correctionoverhead voortdurend binnen fouttolerante algoritmen te worden gebruikt. Het doel is daarom niet alleen een verbinding tot stand brengen, maar inter-module gates uiteindelijk dicht genoeg bij de kwaliteit van lokale gates brengen dat zij praktisch in error-correctioncycli kunnen worden geïntegreerd.

Wil je alle artikelen kunnen lezen en elke podcast beluisteren? Neem dan een abonnement en krijg toegang tot alle artikelen en de database met duizenden berichten.

Juist de installatie van Nighthawk-processors in de nieuwe cryogene modules wordt daarom belangrijk. Pas wanneer IBM echte processors in beide cellen plaatst en quantumoperaties over de verbindingszone uitvoert, wordt duidelijk hoe goed de volledige architectuur onder realistische omstandigheden presteert.

Waarom 99% fidelity nog altijd onvoldoende kan zijn

Voor klassieke elektronica klinkt een nauwkeurigheid boven 99% uitstekend. Voor quantumcomputing ligt de lat veel hoger, omdat een complex algoritme uit enorme aantallen opeenvolgende operaties kan bestaan. Een foutkans van 1% betekent gemiddeld één fout per honderd bewerkingen. Een algoritme met miljoenen of uiteindelijk tientallen miljoenen fysieke operaties zou daardoor zonder foutcorrectie snel worden gedomineerd door fouten.

Quantum error correction moet dat probleem oplossen. Daarbij wordt een logische qubit over meerdere fysieke qubits verdeeld en worden voortdurend aanvullende metingen uitgevoerd om fouten te detecteren zonder de onderliggende quantumtoestand rechtstreeks te meten.

De vereiste fysieke fidelity hangt af van de gebruikte foutcode, connectiviteit, decoder, correlatie van fouten en de manier waarop gates worden uitgevoerd. Er bestaat daarom geen universele grens waarbij bijvoorbeeld 99,9% automatisch voldoende is. Wel geldt dat een structureel zwakkere inter-moduleverbinding de foutcorrectie van het hele systeem veel zwaarder kan maken, waardoor remote-gate fidelity een van de belangrijkste technische indicatoren binnen IBM's roadmap wordt.

Afstand tussen modules raakt direct aan de error-correctioncyclus

Niet alleen fidelity is belangrijk; ook latency wordt kritisch. Quantum error correction werkt door voortdurend syndrome-informatie uit de fysieke qubits te verzamelen. Die metingen vertellen niet rechtstreeks welke quantumtoestand wordt opgeslagen, maar geven informatie over fouten die waarschijnlijk zijn opgetreden.

Een klassieke decoder moet die syndrome-data vervolgens analyseren en bepalen welke correctie of frame-update noodzakelijk is. Dit proces moet snel genoeg plaatsvinden om te voorkomen dat nieuwe fouten sneller accumuleren dan het systeem ze kan verwerken.

Wanneer de fysieke qubits van één logische architectuur over meerdere modules zijn verdeeld, komt daar de vertraging van inter-modulecommunicatie bovenop. De tijd die nodig is voor state transfer, remote gates, syndrome-extractie en klassieke decoding bepaalt gezamenlijk hoe snel één error-correctioncyclus kan worden voltooid.

Daardoor wordt fysieke afstand een onderdeel van quantumcomputational performance. Een interconnect kan een zeer hoge fidelity hebben, maar wanneer hij te langzaam is, kan de totale foutcorrectie alsnog onvoldoende efficiënt worden. De nieuwe cryogene architectuur is daarom niet alleen een koelingsoplossing, maar bepaalt mede de geometrie en uiteindelijk de timing van de fouttolerante computer.

De roadmap naar minimaal 1.000 programmeerbare qubits

IBM wil zijn modulaire architectuur gebruiken om in 2027 systemen met minimaal 1.000 programmeerbare qubits mogelijk te maken. Het gaat hierbij nadrukkelijk om fysieke, programmeerbare qubits en niet om 1.000 foutgecorrigeerde logische qubits.

De Nighthawk-processor beschikt over 120 fysieke qubits. Door meerdere processors en uiteindelijk meerdere modules te combineren kan IBM naar systemen van ongeveer duizend fysieke qubits doorgroeien zonder één monolithische chip met al die qubits te hoeven produceren. Een configuratie rond negen Nighthawk-achtige processoren zou theoretisch richting circa 1.080 fysieke qubits gaan, maar het precieze aantal modules en processors kan met de verdere architectuurontwikkeling veranderen. Het belangrijkere doel blijft daarom minimaal 1.000 programmeerbare fysieke qubits.

Modulariteit maakt deze route aantrekkelijk omdat chipfabricage statistische yieldbeperkingen kent. Hoe groter een monolithische processor wordt, hoe groter de kans dat defecten, frequentievariaties of slechte couplers het totale rendement verminderen. Kleinere afzonderlijk geteste dies kunnen in theorie efficiënter tot een groter systeem worden gecombineerd, waarna de kwaliteit van de interconnect bepaalt of die afzonderlijke processors daadwerkelijk als één quantumcomputer kunnen functioneren.

Nighthawk is de eerste echte test van deze architectuur

Nighthawk telt 120 qubits en vormt een belangrijke tussenstap in IBM's schaalstrategie. Het relevante kenmerk is niet alleen het aantal qubits, maar de combinatie van connectiviteit, gatekwaliteit en circuitcapaciteit waarop latere modulaire systemen moeten voortbouwen.

IBM beschikt inmiddels over werkende Nighthawk-systemen, waardoor de processor geen toekomstig concept meer is. De logische volgende stap is daarom precies wat met de nieuwe cryogene modules wordt voorbereid: meerdere processors onder realistische millikelvinomstandigheden koppelen en vervolgens meten hoe de kwaliteit van het systeem verandert wanneer quantumoperaties niet langer uitsluitend binnen één chip plaatsvinden.

Dat is een veel strengere test dan alleen het demonstreren van een nieuwe processor. Een schaalbare quantumcomputer moet immers gelijktijdig verbeteren op qubitcount, gate fidelity, coherentietijd, readoutkwaliteit, calibratiestabiliteit, interconnectkwaliteit en uptime. Een verdubbeling van het aantal qubits levert nauwelijks waarde op wanneer de foutkans tegelijkertijd zo sterk stijgt dat bruikbare circuitdiepte daalt.

Fysieke en logische qubits mogen nooit worden verward

Een fysieke qubit is het daadwerkelijke quantummechanische circuit op de processor. Zelfs wanneer zo'n qubit technisch uitstekend presteert, blijft hij gevoelig voor decoherentie, control errors, leakage en meetfouten.

Een logische qubit is iets fundamenteel anders. Daarbij wordt quantuminformatie gecodeerd over een verzameling fysieke qubits, zodat fouten kunnen worden opgespoord en gecorrigeerd zonder de opgeslagen quantumtoestand zelf te vernietigen.

Het uiteindelijke doel van quantum computing is daarom niet simpelweg zoveel mogelijk fysieke qubits produceren. Het gaat om voldoende betrouwbare logische qubits bouwen die extreem lange algoritmen kunnen uitvoeren zonder dat fouten de berekening domineren. Dat is waarom IBM's doel van ongeveer 200 logische qubits voor Starling veel betekenisvoller kan zijn dan een machine met duizenden ongecorrigeerde fysieke qubits.

qLDPC kan de hardware-overhead drastisch veranderen

Een van de grootste problemen bij foutcorrectie is de hoeveelheid fysieke hardware die voor iedere logische qubit nodig is. De bekende surface code kan zeer robuust zijn, maar heeft een relatief hoge fysieke overhead. Voor grote fouttolerante toepassingen zouden daardoor enorme aantallen fysieke qubits nodig kunnen zijn.

IBM zet daarom sterk in op quantum low-density parity-check codes, waaronder bivariate-bicyclecodes. Een bekend voorbeeld is de zogenoemde Gross-code met parameters [[144,12,12]].

Wil je alle artikelen kunnen lezen en elke podcast beluisteren? Neem dan een abonnement en krijg toegang tot alle artikelen en de database met duizenden berichten.

In zo'n code worden 144 fysieke dataqubits gebruikt om 12 logische qubits met codeafstand 12 te representeren. Dat betekent niet dat 144 fysieke componenten voldoende zijn voor een complete implementatie, omdat syndrome-metingen aanvullende ancillaresources, connectiviteit, readout en klassieke processing vereisen.

De strategische aantrekkelijkheid zit in de code-efficiëntie. Wanneer qLDPC in echte hardware voldoende robuust kan worden geïmplementeerd, kan IBM dezelfde hoeveelheid logische informatie met aanzienlijk minder fysieke hardware beschermen dan onder sommige conventionele foutcorrectiebenaderingen. Dat verandert de economische schaalbaarheid van quantumcomputing fundamenteel.

Realtime decoding wordt daarmee net zo belangrijk als de quantumprocessor

Foutcorrectie werkt alleen wanneer fouten niet uitsluitend worden gedetecteerd, maar ook snel genoeg worden geïnterpreteerd. Iedere error-correctioncyclus produceert syndrome-data en een klassieke decoder moet daaruit in realtime afleiden welke fout het waarschijnlijkst is opgetreden en hoe het quantumframe moet worden aangepast.

Naarmate het aantal fysieke en logische qubits groeit, neemt de hoeveelheid syndrome-data sterk toe. De decoder moet dus tegelijk nauwkeurig én extreem snel opschalen.

Dat maakt klassieke FPGA- en ASIC-technologie uiteindelijk onderdeel van het quantumprobleem. Een quantumprocessor kan uitstekende fysieke gates hebben, maar wanneer de klassieke decoder de datastroom niet binnen de vereiste cyclustijd kan verwerken, wordt fouttolerantie alsnog beperkt. Voor Starling is daarom niet alleen de quantumhardware belangrijk; de klassieke realtime control- en decodingstack moet met dezelfde snelheid meegroeien.

Cryo-CMOS moet het kabelprobleem verminderen

Een tweede belangrijke engineeringroute is cryogene CMOS-elektronica. Wanneer alle control electronics op kamertemperatuur blijven, moeten signalen via grote hoeveelheden kabels van ongeveer 300 kelvin naar de millikelvinlaag worden gebracht. Iedere kabel vormt een potentiële warmtelek en neemt fysieke ruimte in beslag.

Door delen van de control electronics op cryogene temperaturen dichter bij de quantumprocessor te plaatsen, kan multiplexing eerder plaatsvinden en kan het aantal verbindingen naar kamertemperatuur worden teruggebracht.

Dat creëert echter een nieuwe optimalisatievraag. CMOS-elektronica verbruikt vermogen en produceert dus warmte, terwijl digitale of analoge elektronica bovendien elektromagnetische ruis kan genereren die de qubits beïnvloedt. De echte uitdaging is daarom niet zoveel mogelijk elektronica koud maken, maar de optimale verdeling vinden tussen thermische belasting, kabelreductie, signaalkwaliteit en control latency.

De warmtebalans van cryo-CMOS blijft daarmee een belangrijke openstaande engineeringvraag richting systemen met zeer grote aantallen fysieke qubits.

Starling moet in 2029 bewijzen dat alle onderdelen tegelijk kunnen functioneren

De grote test van IBM's strategie moet Quantum Starling worden. Het systeem staat voor 2029 op de roadmap en moet ongeveer 200 logische qubits ondersteunen die gezamenlijk circa 100 miljoen quantumoperaties kunnen uitvoeren.

Die twee doelstellingen zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. Een systeem met 200 logische qubits heeft weinig economische betekenis wanneer de logische foutkans zo hoog is dat slechts korte algoritmen kunnen worden uitgevoerd. Andersom levert een extreem lage foutkans weinig op wanneer het systeem onvoldoende logische qubits bezit om interessante computationele problemen te representeren.

Starling moet daarom meerdere technologieën tegelijkertijd laten convergeren: voldoende fysieke qubits, efficiënte qLDPC-foutcorrectie, snelle syndrome-extractie, betrouwbare inter-moduleverbindingen, schaalbare realtime decoding en een cryogene infrastructuur die de warmtebelasting onder controle houdt. Dat is waarom de nieuwe gekoppelde cryogene modules direct relevant zijn voor een machine die pas in 2029 moet verschijnen: IBM bouwt nu de fysieke omgeving waarin zulke systemen uiteindelijk moeten functioneren.

De nieuwe demonstratie is systems engineering, geen werkende quantumcomputer

Dat onderscheid moet bij deze ontwikkeling scherp worden gehouden. IBM heeft nog geen complete multi-module quantumcomputer laten draaien in deze nieuwe installatie; de cellen zijn momenteel lege cryogene infrastructuur.

Dat maakt de demonstratie echter niet onbelangrijk. Juist bij complexe technologieën ontstaat commerciële schaalbaarheid pas wanneer ondersteunende infrastructuur kan worden gestandaardiseerd. Een processor die alleen in een unieke laboratoriumopstelling werkt, vormt nog geen industrieel computerplatform.

IBM laat nu zien dat twee grote modules mechanisch en thermisch als één cryogene architectuur kunnen functioneren. Wanneer later dit jaar Nighthawk-processors worden geïnstalleerd, verschuift de test van thermische engineering naar echte quantumcommunicatie en uiteindelijk naar computationele integratie. Daar ligt de volgende belangrijke mijlpaal.

De volledige stack is volgens ons IBM's grootste concurrentievoordeel

Wij denken dat IBM's belangrijkste voordeel uiteindelijk niet één afzonderlijke processor zal zijn, maar de mogelijkheid om een groot gedeelte van de volledige quantumstack als geïntegreerd systeem te ontwikkelen.

Processorarchitectuur bepaalt welke foutcorrectie efficiënt kan worden gebruikt. De gekozen foutcorrectie bepaalt welke connectiviteit nodig is. Connectiviteit beïnvloedt de cryogene lay-out en interconnects. De fysieke afstand tussen processors beïnvloedt latency, terwijl de cyclustijd vervolgens eisen oplegt aan de klassieke decoder en control electronics. Deze subsystemen kunnen daardoor nauwelijks onafhankelijk van elkaar worden geoptimaliseerd.

IBM kan op dat punt profiteren van tientallen jaren ervaring met semiconductorengineering, mainframes, high-performance computing, systeemintegratie en enterprise software. Dat garandeert geen overwinning, maar het sluit opvallend goed aan op de fase waarin quantum computing nu terechtkomt: de wedstrijd verschuift van individuele laboratoriumrecords naar geïntegreerde computerarchitectuur.

De concurrentie gebruikt fundamenteel andere oplossingen

Daar staat tegenover dat superconducting modulariteit niet de enige route naar schaalbare quantumcomputing is. Trapped-ion systemen kunnen bijvoorbeeld zeer hoge gate fidelities en relatief flexibele connectiviteit bieden, al zijn gates doorgaans langzamer en is grootschalige ion- en lasercontrol technisch complex. Neutral-atom architecturen kunnen zeer grote arrays van atomen creëren en aantrekkelijke connectiviteitsmogelijkheden bieden, maar hebben weer andere uitdagingen rond foutcorrectie, gateuniformiteit en langdurige operationele stabiliteit.

Photonics probeert schaalproblemen via optische quantumverbindingen anders op te lossen, terwijl ook binnen superconducting quantumcomputing meerdere ondernemingen alternatieve chip-, coupler- en packagingstrategieën volgen. Het is daarom te vroeg om te stellen dat IBM's technologie onvermijdelijk zal winnen.

Onze positie is dat IBM op dit moment een van de meest geloofwaardige routes naar een complete fouttolerante quantumcomputer ontwikkelt en een reële kans heeft om uiteindelijk marktleider te worden. Die overtuiging komt niet voort uit één qubitrecord of één cryogene test, maar uit de mate waarin IBM de verschillende technische lagen van het systeem gezamenlijk probeert op te schalen.

De $10 miljard extra investering verandert de schaal van de ambitie

IBM ondersteunt de roadmap bovendien met een grote financiële commitment. Het bedrijf wil over vijf jaar meer dan $10 miljard extra aan quantum computing besteden, waaronder onderzoek, infrastructuur, productiecapaciteit, ecosystemen en mogelijk gerichte acquisities.

Dat maakt duidelijk dat quantum binnen IBM niet als een klein experimenteel onderzoeksproject wordt behandeld. Een toekomstige fouttolerante machine vereist gespecialiseerde chipproductie, packaging, cryogene installaties, testinfrastructuur, control electronics, realtime compute voor decoding en uiteindelijk een softwarestack waarmee klanten daadwerkelijk applicaties kunnen bouwen.

Daarvoor is jarenlange kapitaalintensieve ontwikkeling nodig voordat betekenisvolle commerciële omzet ontstaat. De omvang van IBM maakt het mogelijk die periode te financieren vanuit bestaande cashflows zonder dat de quantumdivisie op korte termijn zelfstandig winstgevend hoeft te worden. Dat is een strategisch voordeel ten opzichte van kleinere ondernemingen die dezelfde technische ontwikkelingshorizon met extern kapitaal moeten financieren.

De computationele kant moet tegelijk vooruitgaan

Hardware alleen heeft uiteindelijk geen economische waarde wanneer er geen problemen bestaan waarvoor quantumcomputing een voordeel biedt. Daarom is het belangrijk dat IBM tegelijkertijd werkt aan logische circuits, foutcorrectie en demonstraties waarbij quantumcomputers problemen uitvoeren die voor klassieke simulatiemethoden steeds moeilijker worden.

De strategische vraag verschuift daardoor van pure quantum advantage naar bruikbare en verifieerbare quantum advantage. Een klant moet niet alleen een resultaat krijgen dat een klassiek systeem moeilijk kan produceren, maar ook voldoende vertrouwen hebben dat het resultaat correct is.

Dat wordt des te belangrijker wanneer quantumcomputers toepassingen krijgen in chemie, materialenwetenschap, optimalisatie of financiële modellering. Een niet-verifieerbaar resultaat is daar commercieel nauwelijks bruikbaar. IBM moet daarom niet alleen aantonen dat Starling kan worden gebouwd, maar uiteindelijk ook dat zo'n machine problemen oplost waarvoor ondernemingen daadwerkelijk bereid zijn te betalen.

Van qubitrace naar architectuurrace

Wil je alle artikelen kunnen lezen en elke podcast beluisteren? Neem dan een abonnement en krijg toegang tot alle artikelen en de database met duizenden berichten.

De sector komt daarmee in een nieuwe ontwikkelingsfase terecht. Jarenlang draaide veel aandacht om de vraag wie de meeste fysieke qubits kon presenteren, maar die maatstaf wordt steeds minder belangrijk.

De echte competitie gaat steeds meer over bruikbare logical qubits, foutpercentages, circuitdiepte, interconnectfidelity, realtime decoding, uptime en de totale resources die nodig zijn om één betrouwbare quantumoperatie uit te voeren.

Een systeem met minder fysieke qubits maar zeer efficiënte foutcorrectie kan uiteindelijk economisch veel waardevoller zijn dan een machine met een enorm qubitcount waarvan het grootste gedeelte moet worden gebruikt om fouten te bestrijden. Dat is precies waarom infrastructuurontwikkelingen zoals de nieuwe cryogene modules veel belangrijker kunnen blijken dan hun aanvankelijk weinig spectaculaire uiterlijk suggereert.

Wat dit uiteindelijk voor IBM als onderneming betekent

Voor de komende kwartalen verandert de nieuwe cryogene demonstratie nauwelijks iets aan onze winstverwachtingen. IBM blijft financieel vooral afhankelijk van software, consulting, infrastructuur en de bredere enterprise-AI- en hybrid-cloudactiviteiten. Wij zouden daarom geen korte-termijnwaarderingssprong rechtvaardigen op basis van deze ene technische mijlpaal.

De betekenis ligt op langere termijn. Wanneer IBM de roadmap daadwerkelijk uitvoert en richting fouttolerante quantumcomputers beweegt, kan het bedrijf een nieuwe compute-laag toevoegen aan zijn bestaande positie binnen enterprise IT.

Dat kan strategisch bijzonder waardevol worden. IBM zou dan niet alleen quantumhardware kunnen leveren, maar mogelijk ook toegang tot quantumcompute, software, middleware, klassieke integratie en sectorspecifieke toepassingen aanbieden. Dezelfde full-stackbenadering die technisch aantrekkelijk is, kan daardoor uiteindelijk ook commercieel aantrekkelijk blijken.

Iedere afzonderlijke engineeringmijlpaal verlaagt een klein gedeelte van de technologische onzekerheid. Naarmate IBM meer van die onzekerheid wegneemt, wordt het scenario waarin quantum daadwerkelijk een materiële nieuwe business voor IBM wordt geloofwaardiger en daarmee ook economisch relevanter voor aandeelhouders.

Belangrijkste risico's

■ De nieuwe cryogene demonstratie bewijst alleen dat de lege infrastructuur modulair kan worden gekoppeld en gekoeld. De veel belangrijkere test volgt wanneer Nighthawk-processors worden geïnstalleerd en echte quantumoperaties tussen modules moeten worden uitgevoerd.
■ Remote state transfer presteert al sterk, maar de ongeveer 93,3% fidelity van eerder gedemonstreerde remote two-qubit operations moet aanzienlijk verbeteren voordat inter-module gates efficiënt onderdeel kunnen worden van grootschalige foutcorrectie.
■ De fysieke afstand tussen modules beïnvloedt niet alleen signaalkwaliteit, maar ook de latency van state transfer, syndrome-extractie en error-correctioncycli. Een modulaire architectuur moet daarom zowel snel als foutarm zijn.
■ qLDPC kan de hardware-overhead van foutcorrectie sterk reduceren, maar grootschalige implementatie van connectiviteit, syndrome-extractie en realtime decoding moet nog worden bewezen.
■ Realtime decoding zelf kan een schaalprobleem worden. FPGA- en ASIC-systemen moeten enorme hoeveelheden syndrome-data met zeer lage latency verwerken zonder de error-correctioncyclus te vertragen.
■ Cryo-CMOS kan de hoeveelheid bekabeling verminderen, maar de warmteproductie en elektromagnetische ruis van elektronica dicht bij de qubits moeten binnen de uiterst beperkte cryogene warmtebalans blijven.
■ Concurrenten met trapped ions, neutral atoms, photonics en andere superconducting architecturen volgen andere schaalroutes die op specifieke onderdelen uiteindelijk efficiënter kunnen blijken.
■ IBM's roadmap richting Starling blijft uitzonderlijk ambitieus. Vertraging van één cruciale bouwsteen kan doorwerken in meerdere andere lagen van het systeem en daardoor de commerciële tijdslijn verschuiven.

Conclusie

IBM heeft nog geen modulaire quantumcomputer gebouwd, maar wel de cryogene infrastructuur gedemonstreerd waarop zo'n systeem moet gaan draaien. De volgende stap wordt doorslaggevender: Nighthawk-processors installeren en aantonen dat meerdere koude modules daadwerkelijk als één quantumcomputer kunnen samenwerken.

Wij denken dat IBM een serieuze kans heeft om uiteindelijk leider te worden in quantum computing, juist omdat het bedrijf steeds duidelijker de volledige architectuur bouwt die nodig is om goede qubits te veranderen in een industrieel bruikbare, fouttolerante computer.

Wil je alle artikelen kunnen lezen en elke podcast beluisteren? Neem dan een abonnement en krijg toegang tot alle artikelen en de database met duizenden berichten.

🔵 English version

IBM takes another step toward scalable quantum computing: we believe the company can emerge as a leader in the field

No time to read the full article? Use the five bullets below for the key points.

■ IBM (IBM) has physically connected two large box-shaped cryogenic modules and cooled them together below 15 millikelvin. The modules are still empty and contain no quantum processors yet; later this year IBM plans to install Nighthawk processors and begin testing actual communication between separate quantum modules.
■ The breakthrough is not a new qubit record but a systems-engineering milestone. IBM is addressing how thousands of physical qubits can be cooled, controlled and interconnected without wiring, thermal load, signal loss and electromagnetic noise becoming fundamental scaling constraints.
■ The infrastructure directly supports IBM's roadmap toward at least 1,000 programmable physical qubits in 2027 and Quantum Starling in 2029. Starling is intended to combine roughly 200 error-corrected logical qubits with around 100 million quantum operations, a far more demanding target than simply increasing physical qubit count.
■ The major remaining bottlenecks involve inter-module gates, real-time error correction and the thermal balance of control electronics. IBM has demonstrated quantum state transfer across a long microwave link at around 98.8% fidelity, but remote two-qubit operations at roughly 93.3% remain materially below the level ultimately required for fault-tolerant systems.
■ Our Investment view on IBM remains positive, and we believe IBM has a serious chance of becoming one of the leaders, potentially the leader, in large-scale quantum computing. The reason is not a single qubit processor but the combination of processors, interconnects, cryogenics, error correction, real-time decoding, control electronics and software within one integrated roadmap.

IBM has reached a technical milestone that may sound less spectacular than introducing a processor with hundreds of additional qubits, but which could prove considerably more important for the ultimate scalability of quantum computers. The company has physically connected two large box-shaped cryogenic modules in its laboratory and cooled them as a single thermal system to below 15 millikelvin, only a tiny fraction of a degree above absolute zero.

It is important to understand what IBM has not yet demonstrated. The two modules are currently empty and contain no operating Nighthawk processors. This is therefore not yet a demonstration of a complete multi-module quantum computer, but of the cryogenic infrastructure on which such a system is intended to be built. IBM plans to install Nighthawk processors later this year and then test whether quantum communication between physically separated processors can operate reliably within this modular environment.

That is precisely what makes the demonstration technically interesting. Quantum-computer development is increasingly moving away from the question of how many qubits can be fabricated on one chip toward the much harder problem of how thousands and eventually far larger numbers of physical qubits can be controlled as one coherent system. Cooling, wiring, interconnects, latency, error correction and classical control are becoming just as important as the quantum processor itself.

Investment view

Our Investment view on IBM is positive, and we believe the company has a serious opportunity to establish a leading position in quantum computing. We go further than simply describing IBM as one of several major participants. Based on its current roadmap, the depth of its engineering stack and the pace at which individual technical bottlenecks are being addressed, we believe IBM could ultimately become one of the most important infrastructure providers in fault-tolerant quantum computing and potentially emerge as the technological leader.

That remains a scenario rather than a certainty because several fundamentally different quantum platforms are still viable. IBM's superconducting approach competes with trapped ions, neutral atoms, photonics and other architectures, some of which claim advantages in connectivity, coherence or large-scale configuration. The eventual winner has therefore not yet been determined.

We nevertheless assign IBM a high probability because the company is not attempting to optimize one spectacular component in isolation. IBM is developing processors, chip fabrication, packaging, cryogenics, microwave interconnects, error-correction codes, real-time decoding, classical control electronics and software. In fault-tolerant quantum computing, we expect this vertical integration to become increasingly important because limitations in one layer directly affect every other layer.

For shareholders, we therefore view quantum computing figuratively as a call option embedded in IBM. IBM's current earnings and revenue trajectory do not need to depend on a commercial quantum breakthrough, while shareholders retain exposure to a potentially enormous new computing market if fault-tolerant quantum technology becomes economically useful. As IBM demonstrably reduces technical uncertainty around cooling, interconnects, error correction and scalability, the probability-weighted value of that call option can increase without requiring the traditional IBM business to change first.

What IBM has actually built

The two new cryogenic modules together form an installation more than 8 feet, roughly 2.4 meters, high and wide. The construction consists of box-shaped cells that can operate independently as cryogenic modules but can then be mechanically and thermally connected.

IBM brought the combined system down to approximately 4 kelvin in less than five days before cooling it further below 15 millikelvin. Even with a simulated heat load of around 30 microwatts at the coldest stage, the temperature remains close to 23 millikelvin. That matters because future processors, wiring and control components will inevitably introduce additional heat.

Each module provides roughly 0.53 square meters of usable wiring area and approximately 2.75 cubic meters of vacuum volume. Available wiring capacity is therefore up to around twelve times greater than in earlier cylindrical configurations. Those figures may appear secondary next to qubit counts, but they address precisely the problem that emerges when a laboratory prototype must become a genuine computer architecture: space for cables, feedthroughs, filters, amplifiers and thermal anchoring does not automatically scale with qubit count in traditional cryostats.

Why superconducting qubits need to be so extremely cold

IBM uses superconducting qubits, including transmon-like architectures. These can be viewed as artificial quantum-mechanical systems built from superconducting electrical circuits containing Josephson junctions.

A conventional LC resonator has evenly spaced energy levels and is therefore difficult to use as a qubit. The Josephson junction introduces the necessary non-linearity, producing uneven energy spacing and allowing two levels to be selectively controlled as quantum states |0⟩ and |1⟩.

Relevant transition frequencies typically lie in the microwave range of several gigahertz, meaning the energy differences between states are extremely small. According to Boltzmann statistics, thermal populations depend exponentially on the relationship between the energy of the quantum transition and the thermal energy of the system. That thermal energy is determined by the Boltzmann constant multiplied by the absolute temperature. If temperature is too high, thermal fluctuations can spontaneously excite a qubit, increasing initialization errors and undermining reliable quantum operations.

Superconducting qubits therefore need to operate at temperatures on the order of 10 to 20 millikelvin. At those temperatures, thermal excitation is strongly suppressed and coherence times can become sufficiently long to execute large numbers of controlled quantum operations before environmental interaction destroys the stored quantum information.

How a dilution refrigerator reaches these temperatures

These extreme temperatures are achieved using dilution refrigerators. Cooling occurs through several thermal stages because moving directly from roughly 300 kelvin to only a few millikelvin is not practical.

Pulse-tube coolers first bring the upper stages down through tens of kelvin and eventually toward approximately 4 kelvin. A helium-3 and helium-4 mixture then takes over. At very low temperatures, that mixture separates into two phases. When helium-3 atoms move from a concentrated phase into a dilute phase, heat is absorbed from the surroundings, allowing the mixing chamber to reach only a few millikelvin.

Cooling power at the coldest stage is extremely limited, however, and this is what makes scaling difficult. Every cable conducts some heat downward from warmer parts of the system, while attenuators, filters, amplifiers and control electronics dissipate additional energy. At tens or hundreds of qubits, these constraints can still be managed conventionally; at thousands of qubits, thermal management becomes a system-level engineering problem.

The real problem is no longer simply how many qubits fit on one chip

Public discussion of quantum computing remains heavily focused on qubit count, but that metric becomes increasingly incomplete at scale. Every physical qubit needs to be controlled, calibrated and measured. Superconducting qubits require microwave lines and, depending on architecture, flux controls, while readout resonators, filters, amplifiers, couplers and timing hardware are also required.

As a system grows from one hundred to one thousand and eventually tens of thousands of physical qubits, the required control infrastructure grows with it. The question therefore becomes not only how many qubits can be fabricated, but how many signals can physically pass through a cryogenic environment before heat, electromagnetic interference and available space become limiting factors.

Traditional cylindrical cryostats are constrained by geometry. The surface area through which signals enter does not scale efficiently with the amount of hardware engineers ultimately want to install inside. IBM's box-shaped modules are designed to break that geometric constraint.

Why IBM is choosing modularity

IBM is not attempting to build one ever-larger cryostat containing every future quantum processor. Its strategy increasingly resembles the way classical supercomputers scale: multiple individual building blocks are combined through high-quality interconnects into one larger system.

Each cryogenic cell can form its own controlled environment. When modules are placed next to one another, thermal shields and connection zones can be joined to create a protected cold corridor through which quantum interconnects can run. Future scale therefore does not become entirely dependent on the maximum size of one cryostat; additional compute could in principle be added through additional modules as long as the connections remain sufficiently reliable.

Modularity also improves serviceability. In a mature quantum data center, maintenance will eventually become an important operational factor, and an architecture in which individual components can be serviced without taking an entire machine offline for extended periods could be economically preferable to a monolithic system. The difficult problem then shifts toward the quality of the links between those modules.

L-couplers need to turn separate chips into one quantum computer

IBM is developing long-range couplers, or L-couplers, for this purpose. These connections are intended to transport quantum states between physically separated processors without destroying the coherence of the information.

This is fundamentally harder than communication inside a classical computer. A classical signal can be amplified, regenerated and reclocked, whereas an unknown quantum state cannot simply be copied and retransmitted because of the no-cloning theorem. The quantum information itself therefore needs to be transferred coherently from a transmitting qubit through the interconnect to a receiving qubit.

IBM uses superconducting microwave links for this purpose. A state can be coupled into an electromagnetic mode in the transmission line, moved through the connection and then transferred into a qubit at the receiving end, all without an intermediate classical measurement destroying the superposition.

98.8% state-transfer fidelity is strong, but not the end goal

IBM has previously demonstrated state-transfer fidelity of up to roughly 98.8% across a microwave connection approximately 60 centimeters long. This proves a fundamental capability: quantum information can be coherently transferred over a distance relevant to a modular computing architecture.

For fault-tolerant quantum computing, however, state transfer is not enough. Separate processors also need to execute quantum logic together. For a remote CNOT operation assembled from local gates and state transfers, previously reported fidelity was around 93.3%. The result is already several months old but remains useful because it highlights the bottleneck IBM still needs to solve.

A fidelity of 93.3% means such operations are not yet reliable enough to be used continuously within fault-tolerant algorithms without very large error-correction overhead. The objective is therefore not merely to establish a connection but to bring inter-module gates close enough to local-gate quality that they can be practically integrated into error-correction cycles.

This is why installing Nighthawk processors inside the new cryogenic modules will be so important. Only when IBM places actual processors in both cells and executes quantum operations across the connection will it become clear how well the architecture performs under realistic conditions.

Why 99% fidelity may still not be enough

In classical electronics, accuracy above 99% sounds excellent. In quantum computing, the hurdle is far higher because a complex algorithm may contain enormous numbers of sequential operations. A 1% error rate implies roughly one error for every hundred operations on average, which means an algorithm requiring millions of physical operations would rapidly become dominated by errors without active correction.

Quantum error correction is designed to solve this by distributing a logical qubit across multiple physical qubits and continuously collecting additional measurements that identify errors without destroying the encoded quantum state.

Required physical fidelity depends on the selected code, connectivity, decoder, correlations between errors and the way gates are implemented. There is therefore no universal point at which, for example, 99.9% automatically becomes sufficient. What is clear is that a structurally weaker inter-module connection can make error correction across the entire system substantially more demanding, making remote-gate fidelity one of the most important technical indicators in IBM's roadmap.

Distance between modules directly affects the error-correction cycle

Fidelity is not the only constraint; latency also becomes critical. Quantum error correction operates by continuously collecting syndrome information from physical qubits. Those measurements do not directly reveal the stored quantum state but provide information about errors that are likely to have occurred.

A classical decoder then needs to analyze those syndrome data and determine which correction or frame update is required. This process needs to be fast enough that new errors do not accumulate more rapidly than the system can process them.

When the physical qubits within a logical architecture are distributed across multiple modules, the delay from inter-module communication is added to that process. State transfer, remote gates, syndrome extraction and classical decoding together determine how quickly one error-correction cycle can be completed.

Physical distance therefore becomes a direct part of quantum-computational performance. An interconnect can have very high fidelity, but if it is too slow the overall error-correction architecture may still become inefficient. The new cryogenic architecture is therefore not merely a cooling solution; it helps define the geometry and ultimately the timing of the fault-tolerant computer.

The roadmap toward at least 1,000 programmable qubits

IBM intends to use modular architecture to enable systems with at least 1,000 programmable qubits in 2027. These are explicitly physical, programmable qubits rather than 1,000 error-corrected logical qubits.

The Nighthawk processor contains 120 physical qubits. By combining multiple processors and eventually multiple modules, IBM can move toward systems containing roughly one thousand physical qubits without having to manufacture one monolithic chip with all of them. A configuration around nine Nighthawk-like processors would theoretically reach approximately 1,080 physical qubits, although the exact number of processors and modules may evolve with the architecture. The more important roadmap target is therefore at least 1,000 programmable physical qubits.

Modularity is attractive because chip fabrication has statistical yield constraints. As a monolithic processor becomes larger, the probability that defects, frequency variation or poor couplers reduce total yield increases. Smaller, individually tested dies can potentially be combined more efficiently into a larger machine, with the interconnect ultimately determining whether those separate processors genuinely behave as one quantum computer.

Nighthawk will be the first real test of the architecture

Nighthawk contains 120 qubits and represents an important intermediate step in IBM's scaling strategy. Its relevance extends beyond qubit count to the combination of connectivity, gate quality and circuit capability on which later modular systems need to build.

IBM already has operating Nighthawk systems, so the processor is no longer simply a future concept. The logical next step is precisely what the new cryogenic modules are designed to enable: place multiple processors under realistic millikelvin conditions and measure how system quality changes once quantum operations are no longer confined to a single chip.

That is a substantially harder test than demonstrating a new processor by itself. A scalable quantum computer needs simultaneous improvements in qubit count, gate fidelity, coherence time, readout quality, calibration stability, interconnect performance and uptime. Doubling the number of qubits provides little value if error rates rise enough to reduce useful circuit depth.

Physical and logical qubits must never be confused

A physical qubit is the actual quantum-mechanical circuit on a processor. Even when it performs extremely well, it remains vulnerable to decoherence, control errors, leakage and readout errors.

A logical qubit is fundamentally different. Quantum information is encoded across a collection of physical qubits so that errors can be identified and corrected without destroying the stored quantum state itself.

The ultimate objective of quantum computing is therefore not simply to manufacture as many physical qubits as possible. The objective is to build enough reliable logical qubits to execute extremely long algorithms without errors dominating the computation. This is why IBM's target of roughly 200 logical qubits for Starling can be technologically far more meaningful than a machine containing thousands of uncorrected physical qubits.

qLDPC could fundamentally change hardware overhead

One of the largest problems in quantum error correction is the amount of physical hardware required for each logical qubit. The well-known surface code can be highly robust but has relatively high physical overhead, potentially requiring enormous numbers of physical qubits for large fault-tolerant applications.

IBM is consequently investing heavily in quantum low-density parity-check codes, including bivariate-bicycle codes. One well-known example is the Gross code with parameters [[144,12,12]].

Such a code uses 144 physical data qubits to represent 12 logical qubits at code distance 12. This does not mean 144 physical components are sufficient for a full implementation, because syndrome measurement also requires ancilla resources, connectivity, readout and classical processing.

The strategic attraction lies in code efficiency. If qLDPC can be implemented robustly in real hardware, IBM may be able to protect the same amount of logical information using substantially less physical hardware than some conventional error-correction approaches require. That would fundamentally alter the economics of scaling quantum computers.

Real-time decoding becomes as important as the quantum processor

Error correction only works if errors are not merely detected but interpreted quickly enough. Every error-correction cycle generates syndrome data, and a classical decoder needs to infer in real time which error most likely occurred and how the quantum frame should be updated.

As the number of physical and logical qubits increases, the volume of syndrome data grows rapidly. The decoder therefore needs to scale in both accuracy and speed.

This makes classical FPGA and ASIC technology part of the quantum problem. A quantum processor may have excellent physical gates, but if the classical decoder cannot process the data stream within the required cycle time, fault tolerance is still constrained. For Starling, therefore, the classical real-time control and decoding stack must scale at the same pace as the quantum hardware.

Cryo-CMOS needs to reduce the wiring problem

Another important engineering route is cryogenic CMOS electronics. If all control electronics remain at room temperature, signals need to travel through large numbers of cables from approximately 300 kelvin down toward the millikelvin stage. Every cable becomes a potential thermal leak and occupies physical space.

Moving parts of the control electronics to cryogenic temperatures closer to the quantum processor could allow earlier multiplexing and reduce the number of connections that need to extend all the way back to room temperature.

That creates a new optimization problem, however. CMOS electronics consume power and therefore generate heat, while digital and analog circuitry can also create electromagnetic noise that affects nearby qubits. The real challenge is therefore not to move as much electronics as possible into the cold environment, but to find the optimal balance between thermal load, cable reduction, signal integrity and control latency.

The heat balance of cryo-CMOS remains an important unresolved engineering issue on the route toward machines with very large numbers of physical qubits.

Starling must prove that all components can work together

The major test of IBM's strategy is intended to be Quantum Starling. The system is on the roadmap for 2029 and is targeted to support roughly 200 logical qubits executing approximately 100 million quantum operations.

Those objectives are inseparable. A machine with 200 logical qubits has limited economic value if the logical error rate is so high that only short algorithms can be executed. Conversely, extremely low error rates provide limited value if the system contains too few logical qubits to represent interesting computational problems.

Starling therefore needs multiple technologies to converge simultaneously: enough physical qubits, efficient qLDPC error correction, rapid syndrome extraction, reliable inter-module connections, scalable real-time decoding and cryogenic infrastructure capable of keeping thermal loads under control. This is why the new connected cryogenic modules matter directly to a machine that is not expected until 2029: IBM is building the physical environment in which such systems will eventually need to operate.

The latest demonstration is systems engineering, not yet a working modular quantum computer

That distinction must remain clear. IBM has not yet operated a complete multi-module quantum computer inside the new installation; the cells are currently empty cryogenic infrastructure.

That does not make the demonstration unimportant. In complex technology, commercial scalability emerges only when supporting infrastructure itself becomes standardized. A processor that operates only inside a unique laboratory setup is not yet an industrial computing platform.

IBM has now shown that two large modules can operate mechanically and thermally as one cryogenic architecture. Once Nighthawk processors are installed later this year, testing will move from thermal engineering toward actual quantum communication and eventually computational integration. That will be the next major milestone.

The full stack is, in our view, IBM's largest competitive advantage

We believe IBM's most important advantage will ultimately not be one specific processor, but the company's ability to develop a substantial portion of the complete quantum stack as an integrated system.

Processor architecture determines which forms of error correction can be used efficiently. The chosen error correction determines connectivity requirements. Connectivity affects cryogenic layout and interconnects. Physical distance between processors affects latency, while cycle time then imposes requirements on classical decoders and control electronics. These subsystems can therefore hardly be optimized independently.

IBM can benefit here from decades of experience in semiconductor engineering, mainframes, high-performance computing, system integration and enterprise software. This does not guarantee victory, but it aligns unusually well with the phase quantum computing is now entering, as the competition shifts from individual laboratory records toward integrated computer architecture.

Competitors are pursuing fundamentally different solutions

Superconducting modularity is not the only route toward scalable quantum computing. Trapped-ion systems can offer extremely high gate fidelity and relatively flexible connectivity, although gate speeds are generally slower and large-scale ion and laser control remains technically difficult. Neutral-atom architectures can create very large arrays and offer attractive connectivity properties, but face different challenges around error correction, gate uniformity and long-duration operational stability.

Photonic approaches attack the scaling problem through optical quantum connections, while other superconducting companies are pursuing alternative chip, coupler and packaging strategies. It is therefore too early to state that IBM's technology will inevitably win.

Our position is that IBM currently has one of the most credible routes toward a complete fault-tolerant quantum computer and has a genuine chance of ultimately becoming the market leader. That conviction is based not on one qubit record or one cryogenic demonstration, but on the degree to which IBM is attempting to scale the different layers of the system together.

The additional $10 billion commitment changes the scale of the ambition

IBM is supporting the roadmap with a major financial commitment. The company plans to spend more than $10 billion in additional investment on quantum computing over five years, covering research, infrastructure, manufacturing capacity, ecosystems and potentially targeted acquisitions.

This makes clear that IBM is no longer treating quantum as a small experimental research project. A future fault-tolerant machine requires specialized chip manufacturing, packaging, cryogenic installations, testing infrastructure, control electronics, real-time computing for decoding and ultimately a software stack through which customers can build applications.

That requires years of capital-intensive development before meaningful commercial revenue emerges. IBM's scale allows it to fund that development period from existing cash flows without requiring the quantum business to become independently profitable in the near term, creating a strategic advantage over smaller companies that need external capital to fund the same technical horizon.

Computational usefulness must progress at the same time

Hardware has little economic value if there are no problems for which quantum computing provides a meaningful advantage. IBM is therefore simultaneously working on logical circuits, error correction and demonstrations in which quantum systems attack problems that are increasingly difficult for classical simulation methods.

The strategic question is shifting from pure quantum advantage toward useful and verifiable quantum advantage. A customer does not merely need a result that is difficult for a classical system to calculate; the customer also needs sufficient confidence that the answer is correct.

This becomes particularly important if quantum computers are eventually used in chemistry, materials science, optimization or financial modeling. A result that cannot be validated is commercially of limited value. IBM therefore needs to demonstrate more than its ability to build Starling; it ultimately needs to show that the machine solves problems for which businesses are willing to pay.

From a qubit race to an architecture race

The industry is consequently entering a new stage of development. For years, attention centered heavily on which company could display the largest number of physical qubits, but that metric is becoming less useful.

The real competition increasingly concerns useful logical qubits, error rates, circuit depth, interconnect fidelity, real-time decoding, uptime and the total resources required for each reliable quantum operation.

A system with fewer physical qubits but highly efficient error correction can ultimately be economically much more valuable than a machine with an enormous qubit count in which most resources are consumed fighting errors. That is precisely why infrastructure developments such as IBM's new cryogenic modules may prove much more important than their initially less spectacular appearance suggests.

What this ultimately means for IBM as a company

For the next several quarters, the new cryogenic demonstration changes little in our earnings expectations. IBM remains financially driven primarily by software, consulting, infrastructure and its broader enterprise AI and hybrid-cloud activities, so we would not justify a major short-term valuation increase based on this single technical milestone.

The longer-term significance could be substantial. If IBM executes the roadmap and moves successfully toward fault-tolerant quantum computers, it could add a completely new compute layer to its existing position in enterprise IT.

That could become strategically powerful. IBM could potentially provide not only quantum hardware but also quantum-compute access, software, middleware, classical integration and industry-specific applications. The same full-stack approach that appears technically attractive could therefore ultimately become commercially attractive as well.

Each engineering milestone removes a small portion of technological uncertainty. As IBM eliminates more of those uncertainties, the scenario in which quantum becomes a material new business for the company becomes increasingly credible and economically relevant to shareholders.

Key risks

■ The latest cryogenic demonstration only proves that empty infrastructure can be connected and cooled modularly. The far more important test follows when Nighthawk processors are installed and genuine quantum operations need to be executed between modules.
■ Remote state transfer already performs strongly, but the roughly 93.3% fidelity of previously demonstrated remote two-qubit operations needs to improve materially before inter-module gates can efficiently participate in large-scale error correction.
■ Physical distance between modules affects not only signal quality but also the latency of state transfer, syndrome extraction and error-correction cycles. A modular architecture therefore needs to be both fast and highly reliable.
■ qLDPC could substantially reduce the hardware overhead of error correction, but large-scale implementation of connectivity, syndrome extraction and real-time decoding still needs to be demonstrated.
■ Real-time decoding itself could become a scaling bottleneck. FPGA and ASIC systems need to process enormous volumes of syndrome data at extremely low latency without delaying the error-correction cycle.
■ Cryo-CMOS can reduce wiring requirements, but the heat production and electromagnetic noise of electronics positioned close to qubits must remain within the extremely limited cryogenic heat budget.
■ Competitors using trapped ions, neutral atoms, photonics and alternative superconducting architectures are following other scaling approaches that may prove more efficient in specific areas.
■ IBM's roadmap toward Starling remains exceptionally ambitious. Delay in one critical building block could propagate across several other layers of the system and shift the commercial timeline.

Conclusion

IBM has not yet built a modular quantum computer, but it has demonstrated the cryogenic infrastructure on which such a system is intended to operate. The next step will be more decisive: installing Nighthawk processors and demonstrating that multiple cold modules can genuinely cooperate as a single quantum machine.

We believe IBM has a serious chance of ultimately becoming the leader in quantum computing because it is increasingly building the complete architecture required to turn good qubits into an industrially useful, fault-tolerant computer.