Großer Bahnhof für die Inbetriebnahme des IQM-Systems Euro-Q-Exa nimmt am Supercomputing-Center in Garching seine Arbeit auf

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Es ist schon der zweite IQM-Rechner am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. Das System verfügt derzeit über 54 Qubits, ist mit dem LRZ-Höchstleistungsrechner verbunden und wird bis Ende 2026 um ein zusätzliches System mit mehr als 150 Qubits ergänzt. Stargast bei der Eröffnung war EU-Kommissarin Henna Virkkunen.

Die Anwesenheit der Exekutiv-Vizepräsidentin der Europäischen Kommission für technische Souveränität, Sicherheit und Demokratie Virkkunen ist aus mehreren Gründen keine Beliebig- oder gar Zufälligkeit. Zum einen ist heute die Münchner Sicherheitskonferenz gestartet, die noch bis zum 15. Februar andauert, und ein Abstecher bietet sich da wohl an.

Zum anderen ist das 54-Qubit-System „Euro-Q-Exa“ eine Anschaffung von EuroHPC Joint Undertaking, eine öffentlich-private Partnerschaft der Europäischen Union zur Entwicklung und zum Betrieb von Hochleistungsrechnern (HPC) in Europa. „Euro HPC JU" gehört der Quantencomputer, Wir dürfen ihn nur aufstellen“, hält Professor Dieter Kranzlmüller, Leiter des LRZ mit einem Schmunzeln fest.

Die Hauptaufgabe von Euro HPC JU sei die Beschaffung von Hoch- und Höchstleistungssystemen, für die ein Etat von 7 Milliarden Euro zur Verfügung stehe, erläutert Anders Jensen, Executive Director of the EuroHPC Joint Undertaking. Und das Mandat sei kürzlich um die Beschaffung von KI- und Quantencomputing-Equipment erweitert worden. So ist die Organisation auch für die Verteilung der AI Gigafactories in Europa zuständig und Euro-Q-Exa von IQM kann als der erste europäische Quantencomputer für Deutschland bezeichnet werden.

Es ist allerdings nicht das erste System. Im September des vergangenen Jahres hatte die Organisation EuroHPC JU einen zweiten Quantencomputer mit der Bezeichnung „VLQ“ in Ostrava, Tschechien, eingeweiht, nach der Inbetriebnahme von „PIAST-Q“ vergangenen Juni in Polen (siehe: weitere Quantencomputing-Sites in Europa unter der EuroHPC-Ägide).

Jensen sagt: „Die Inbetriebnahme von Euro-Q-Exa ist ein weiterer Meilenstein auf unserem Weg zu einer europäischen Quantencomputerinfrastruktur von Weltklasse. Mit diesem neuen Quantencomputersystem von EuroHPC unterstreichen wir unser Engagement, Forschern, der Industrie und dem öffentlichen Sektor modernste Rechenressourcen zur Verfügung zu stellen und damit Innovation und technologische Souveränität in ganz Europa zu fördern.“

Voraussetzung: Die Integration mit HPC-Systemen

Euro-Q-Exa ist also eines von insgesamt sechs Quantensystemen, vier sind aufgebaut, die in europäische Höchstleistungsrechner integriert und von der EuroHPC Joint Undertaking beschafft werden, um im Quantencomputing technologische Unabhängigkeit zu erreichen. Die Gesamtkosten von 25 Millionen Euro für das System, seinen Betrieb und die Ergänzung, tragen die Europäische Union und das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) mit zehn und respektive zwölf sowie das Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (StMWK) mit drei Millionen Euro. Das BMFTR finanziert außerdem notwendige Personal- und Sachmittel.

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Obwohl das LRZ schon einen IQM-Computer besitzt, sei die Beschaffung des Nachfolgesystems keinesfalls gesetzt gewesen, erläutert Kranzlmüller, es habe eine reguläre Ausschreibung gegeben, wie diese ausgesehen hat, bleibt offen. Euro-Q-Exa basiert auf dem „Radiance“-System von IQM Quantum Computers und bietet 54 Quantenbits (Qubits) aus supraleitenden Schaltkreisen. Das heißt: Er wird durch einen Kryostat auf unter -273 Grad Celsius gekühlt, um die empfindlichen Recheneinheiten zu stabilisieren und nutzbar zu machen. Er bietet abstimmbare Koppler und High-Fidelity-Gates, die eine Gittertopologie ermöglichen

Laut Markus Bendele, Country Manager und Managing Director bei IQM Germany, sei das System speziell für die Integration in Hoch- und Höchstleistungsrechner entwickelt. Der Quantencomputer diene insbesondere dazu, die Rechenleistung in hybriden Workflows zu erhöhen. Laut Jeanette Miriam Lorenz, Head of Department am Fraunhofer Institut Cognitive Systems (IKS), kann der Computer etwa dazu beitragen, die Zyklen für das Training von KI-Modellen zu beschleunigen beziehungsweise das Training selbst optimieren.

Mit dieser Architektur werde Euro-Q-Exa die Grenzen des High Performance Computing (HPC) austesten: Können die Funktionsweise und Ergebnisse von Quantenprozessoren (QPU) mit bis zu 50 Qubits noch an einem Supercomputer simuliert werden, so ist das bei 54 Qubits allein aufgrund des dazu notwendigen Arbeitsspeichers kaum mehr oder nur in mehreren Schritten möglich, denn theoretisch verdoppelt jedes weitere Qubit die Rechenleistung. IQM und das LRZ stellen Forscherinnen und Forschern aus Deutschland und Europa die Computing-Leistung das Munich Quantum Portal(MQP) zur Verfügung.

Hohe Rechenleistung für groß angelegte Algorithmen

Der Quantencomputer kann so für sich oder in Kombination mit „SuperMUC-NG“ sowie in Zukunft auch mit „Blue Lion“, dem Supercomputer am LRZ, der derzeit auf HPE-Rechnern aufgebaut wird, eingesetzt werden. Zur Programmierung stehen dafür auf dem System nicht nur weit verbreitete Quantensoftware-Pakete wie „Qiskit“ und „Pennylane“ sondern auch verschiedene neue Programmiersprachen zur Verfügung.

Diese macht wiederum derMunich Quantum Software Stack (MQSS) zugänglich, der im Munich Quantum Valley (MQV) in Zusammenarbeit von Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen entwickelt wird und nun für Euro-Q-Exa bereitgestellt wurde. Er unterstützt sowohl hybride Algorithmen und Workloads wie auch die Entwicklung von Programmen fürs Quantencomputing und bietet Schnittstellen zu nützlichen Software-Paketen.

Erste Forschungsgruppen aus Europa sowie dem MQV haben bereits ihr Interesse angemeldet: Sie wollen mit Euro-Q-Exa in neue Dimensionen vorstoßen – zum Beispiel die Ursachen von neurodegenerativen Krankheiten entschlüsseln, die Methoden der computergestützten Pharmakologie erweitern, Klima-Modelle verfeinern oder Stromnetze und Power Grids verbessern. Oder aber endlich herausfinden, wie der erhoffte Vorteil von Quantencomputern zustande kommt: Neuesten Erkenntnissen zufolge braucht es für den Quantenvorteil mehr als nur eine hohe Anzahl von Qubits und von effizienten Verschränkungen.

Ergebnisse statt Visionen!

Trotz realem Bedarf an Quantencomputing fehlt das Vertrauen auf echte Anwendungen

Grundsätzlich funktionieren Quantencomputer anders als Digitaltechnik; sie nutzen die Superposition und Verschränkungen zwischen mehreren Qubits und können so mathematische Fragen lösen. Erwähnt wird hier immer wieder das Problem des Handlungsreisenden, eine Optimierungsaufgabe aus der Logistik, die nach der effizientesten Verbindung von Standorten sucht. Jeder Punkt potenziert dabei die Zahl der Möglichkeiten, bei zehn Standorten entstehen mehrere Millionen Möglichkeiten, bei 58 steigt die Zahl der Varianten auf eine Tredezillion – das ist eine Zahl mit 78 Stellen. Das macht die Berechnung mit klassischen Rechenmethoden äußerst aufwändig.

Derartige Optimierungsaufgaben sind die eingängigsten Probleme, die zum einen einer Allgemeinheit verständlich machen, welche Chancen ein Quantencomputer bietet. Auf der anderen Seite beschäftigen solche Herausforderungen Handel und Logistik oder fordern im Finanzwesen sowie im das Design von Microchips Lösungen.

Aber Forschende hoffen auch darauf, mit Quantencomputern künftig die Wechselwirkungen von Elektronen eines Atoms, das Verhalten von Molekülen oder anderer quantenmechanischer Zustände präziser und effizienter modellieren zu können. Noch begrenzen Kohärenzzeiten, Rauschen oder die Störanfälligkeit der Quantencomputer Leistungen – im Zusammenspiel mit klassischen Supercomputern sind aber größere Experimente und Ergebnisse auf diesem Forschungsfeld schon machbar. Auch IQM-Manager Bendele bezeichnet Euro-Q-Exa als NISQ-Systeme: Noisy Intermediate-Scale Quantum, was darauf verweist, dass die Zuverlässigkeit der Rechnerei sich noch erheblich steigern muss.

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Nebenbei bemerkt: Das LRZ betreibt auch noch einen Quantencomputer auf Basis von Ionenfallen vom österreichischen Hersteller AQT, Innsbruck.

Neben der EU-Kommissarin Virkkunen, die ursprünglich wie IQM aus Finnland kommt, haben auch die parlamentarische Staatsekretärin Silke Launert sowie der bayerische Wissenschaftsminister Markus Blume an der Inbetriebnahme teilgenommen. Virkkunen, fit in der Thematik, betont, dass es zu den Schlüsselelementen Europäischer Politik gehöre, Quantencomputer zu etablieren. Denn es müssten erste Anwender kreiert werden, die bevor sich irgendwo in der Welt eine führende Quantencomputer-Technik herausschäle und damit führende Unternehmen, sich bereits damit auskennen können. Sie macht dabei ein Zeitfenster bis 2030 auf.

Der EU-Blick auf das Quantencomputing und die Souveränität

Souveränität heißt für sie nicht zwangsläufig, Firmen und Techniken aus anderen Ländern auszuschließen, doch Wahlfreiheit zu haben bedeute zu diesem Zeitpunkt, europäische Technik, Technikentwicklung zu stärken. Sie benennt explizit etwa den Chips Act und die 19 geplanten AI Factories, von denen unter anderem das HLRS, und das Forschungszentrum Julich profitierten sowie die Giga Factories, für die bald der Zuschlag anstehe. Deutschland sei mit neuen Bewerbungen dabei. Die KI-Infrastruktur soll insbesondere erlauben, eigene, große EU-Modelle zu entwickeln. Insgesamt stelle die EU 200 Milliarden Euro bereit.

Sie nennt aber auch Open Source als Chance. Die EU selbst sei in dieser Hinsicht ein großer Vorreiter. Das, was die EU alleine dafür ausgebe, rund 180 Millionen Euro, könne Anreize für europäische Eigengewächse bieten.

Gefragt, wie die EU denn die notwendige Geschwindigkeit umsetzen wolle, verweist sie auch eine Harmonisierung der Gesetzgebung für Startups und Unternehmen. Im April soll das nächste Paket verabschiedet werden. Und gefragt danach, dass zwar EU-weit nach Beschleunigung und Souveränität gerufen werde auch mit dem Zugeständnis an weitreichendere Kompetenzen für das EU-Parlament und die -Kommission, zugleich auf die nationalen Dissenzen, wenn es um das Wie der Umsetzung gehe, räumt sie ein, dass man vermutlich nicht alle Mitgliedsländer, oder alle sofort auf diesen Weg mitnehmen könne.

Doch die Implementierung von Quantencomputern über EuroHPC JU sei bereits „ein klarer Beweis für das Engagement Europas, auf unserem eigenen Kontinent souveräne Quantenkapazitäten aufzubauen. Das Leibniz-Rechenzentrum ist ein konkretes Beispiel für die Umsetzung dieser Ambitionen. Es zeigt, wie wir führende europäische Anbieter wie IQM, die an der Spitze der Quanteninnovation stehen, erfolgreich unterstützen und ausbauen können.“

Gegen den EU-Drive wirken Staatssekretärin Launert und Bayerns Wissenschaftsminister Blume aus der Zeit gefallen. Launert erläutert in ihrer Ansprache, welches Potenzial ein Quantencomputer haben kann, eine Anfängerlektion, die weder inspirierend, noch kenntnisreich daherkam, vor einem Publikum des LRZ und der Technischen Universität München, die schon drei Doktoranden in Sachen Quantencomputing hervor gebracht haben. Blume redet von der TUM als eine „Schmiede von Physik-Nobel-Preisträgern“ - drei in 25 Jahren - und von einem attraktiven Standort, Garching, München, Bayern ... wie attraktiv das auch für Arbeitnehmer sei, zeige die Ansiedlung von Microsoft, OpenAI und Google in München.

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