IQM-Quantentechnik nimmt Verbidung zum SuperMUC-NG auf Deutschlands erster hybrider Quantencomputer steht im Leibniz-Rechenzentrum

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Erstmals steckt ein Quantenprozessor (QPU) in einen High-Performance Computer. Das haben IQM Quantum Computers, Eviden und HQS Quantum Simulation seit Projektbeginn 2022 gemeinsam mit dem LRZ bewerkstelligt. Heute präsentiert das Konsortium der Öffentlichkeit das erste hybride, einsatzfähige System mit der Bezeichnung „„Q-Exa“.

Am Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (LRZ) startet eine neue Ära. Q-Exa besteht aus einem 20-Qubit-Prozessor von IQM Quantum Computers, der auf Basis supraleitender Schaltkreise funktioniert, mit klassischer Rechnertechnologie verbunden, um genau zu sein mit dem Supercomputer „Super-MUC NG“.

Somit ist Q-Exa ist nicht in einem Labor installiert, sondern steht erstmals in direkter Nähe zu den den Rechnern und kann demnächst von Forschenden im Pilotbetrieb für Experimente und zur Entwicklung von Algorithmen oder Wissenschaftscodes genutzt werden. Miteinander verbunden tauschen SuperMUC-NG und Q-Exa testweise bereits Aufträge aus und beweisen so, dass beide Technologien zusammenarbeiten und noch tiefer miteinander verbunden werden können.

Professor Dieter Kranzlmüller, Leiter des LRZ, kommentiert: „Wir bauen gerade an der Zukunft der IT. Q-Exa ist ein Schlüsselprojekt für unsere Aktivitäten im LRZ Quantum Integration Centre, QIC, und zeigt den Erfolg von Co-Design. Mit unseren Partnern haben wir es in kurzer Zeit geschafft, den ersten Quantencomputer in unsere Supercomputer zu integrieren und für den Einsatz in der Wissenschaft zu befähigen – wir sind schon sehr gespannt darauf, wie sich das hybride System im Arbeitsalltag bewährt und wie wir damit die Zukunftstechnologie Quantencomputing weiterentwickeln können.“

Q-Exa ist ein Ergebnis des Projektes „Quantencomputer-Erweiterung für Exascale-HPC“. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert mit rund 40 Millionen Euro die Integration von Quantum Processing Units (QPU) auf Basis von supraleitenden Schaltkreisen in einen Supercomputer, sowie die Entwicklung von Schnittstellen, Steuerungswerkzeugen und weiterer Software. Wissenschaft und Forschung sollen durch innovatives Co-Design und die Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie möglichst schnell Zugriff auf eine aussichtsreiche Zukunftstechnologie bekommen, die neue Rechenmethoden ermöglicht.

Die Herausforderung

Quantencomputer, so eine Hoffnung, sollen größte Datenmengen schneller verarbeiten und auf neuen Wegen Lösungen für Probleme finden, die zum Beispiel in der Molekularchemie oder Batterieforschung, im Transport- oder Finanzwesen heute noch nicht zu klären sind. Denn diese innovativen Systeme rechnen nicht nur auf Basis von 0 und 1. Ihre kleinsten Recheneinheiten, die Qubits, verschränken sich miteinander, nehmen dabei weitere Zustände an und ermöglichen so komplexere Analysen und Berechnungen.

Allerdings sind sie schwer zu stabilisieren, auch an grundlegenden Programmierumgebungen und Software zur Steuerung und Kontrolle dieser Computer wird noch gearbeitet. Im Zusammenspiel mit Hochleistungsrechnern sollen Quantencomputer einerseits alltagstauglich werden. Andererseits können sie Supercomputer umgekehrt beschleunigen und helfen, Leistungsgrenzen zu überwinden, die heute weder mit bekannter Prozessortechnologie noch mit Methoden Künstlicher Intelligenz (KI) zu schaffen sind.

Qaptiva von Eviden mit ihren Quantenemulatoren unterstützt dabei die Integration. So gibt es einen digitaler Zwilling des 20-Qubit-Chips von IQM Quantum Computers. Damit konnten Schaltungen designt, kontrolliert und optimiert werden. Dieser digitale Zwilling soll nun auch der Nutzergemeinschaft helfen, ein besseres Verständnis für die Arbeitsweisen des hybriden Systems zu entwickeln und eigene Codes oder Algorithmen auszuprobieren.

Die passende Software

Zum hybriden Q-Exa-System entwickelten Spezialistinnen von LRZ und Partnerinstitutionen des Munich Quantum Valley zudem den Prototyp des „Munich Quantum Software Stack“ (MQSS). Diese Tools integrieren Quantensysteme in die Workflows von Supercomputern wie SuperMUC-NG, koordinieren den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Technologien sowie die Berechnungen des Quantenprozessors.

Der MQSS wird in Zukunft noch um weitere Quantentechnologien ergänzt werden. Neben der Hardware steht dieses Programmpaket Forschenden bald als Open-Source-Version zur Verfügung.

HQS Quantum Simulationssteuert zum MQSS zudem einen ersten, praktischen Anwendungsfall bei: Das Startup aus Karlsruhe entwickelte eine Software, mit der sich auf quantenbeschleunigten Supercomputern die Zusammensetzung neuer Materialien und chemischer Stoffe berechnet und simulieren lässt.

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