TUM und LRZ machen es möglich: Quanten verabreden sich mit Bits Hybrider Ansatz erlaubt Interaktion zwischen Quanten- und Supercomputersystemen

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Technische Universität München Fakultät für Informatik

Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften

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Schneider Electric GmbH

VON ZUR MÜHLEN'SCHE GmbH

Quantencomputer sind kein Ersatz für Supercomputer. Sie ergänzen diese und werden als Teil eines umfassenderen Supercomputer-Ökosystems betrachtet. Erhebliche technische Unterschiede zwischen Quanten- und klassischen Systemen, sowohl bei der Hardware als auch bei der Software, machen die Integration zu einer Herausforderung, aber nicht unlösbar, wie sich zeigt.

Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben ein Werkzeug entwickelt, das Quanten- und Supercomputer miteinander verbindet und deren „nahtlose Interaktion“ ermöglicht. Dieser Ansatz hat vor Kurzem ein Team am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) experimentell demonstriert.

Quantencomputer arbeiten mit Qubits, die im Gegensatz zu klassischen Bits durch Überlagerung in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren können. Darüber hinaus können Qubits verschränkt werden, was neue Berechnungsparadigmen ermöglicht, die klassische Systeme bei bestimmten Aufgaben übertreffen. Quantencomputer sind jedoch nicht universell einsetzbar und sollen das herkömmliche Hochleistungsrechnen (HPC) nicht ersetzen. Vielmehr sind sie als ergänzende Beschleuniger innerhalb der HPC-Landschaft gedacht.

Die Integration von Quantensystemen in HPC-Umgebungen ist aufgrund der Unterschiede in der Architektur, den Schnittstellen und den Kontrollmechanismen jedoch komplex. Martin Schulz, Professor für Rechnerarchitektur und Parallele Systeme an der TUM und Mitglied des LRZ-Vorstands, erläutert: „Mit der Entwicklung des hybriden Werkzeugs 'Sys-sage' sind wir einige dieser Herausforderungen angegangen:“

Die Sys-sage Bibliothek ist ein Brückenschlag

Die Forscher stellen einen Software-Ansatz vor, der diese Systeme überbrücken und eine nahtlose Interaktion und einen einheitlichen Datenzugriff auf Betriebsdaten ermöglichen soll. Dabei spielt die Sys-sage-Bibliothek eine zentrale Rolle.

Sie wurde ursprünglich als Schnittstelle für Supercomputer entwickelt und sammelt sowie organisiert dynamische und statische Informationen über die Architektur und Topologie eines Computersystems und stellt diese Informationen für Anwendungen oder andere Systemkomponenten zur Verfügung. Während die Architektur die Grundstruktur eines Computers beschreibt, zeigt die Topologie, wie die Komponenten physikalisch und logisch miteinander verbunden sind. Sie kann gewissermaßen als Landkarte des Systems betrachtet werden.

Die einer vorliegenden Studie dargestellten Erweiterung der Sys-sage-Bibliothek ermöglicht nun eine einheitliche Darstellung der Systemtopologien, sowohl von Quanten- als auch von Hochleistungsrechnern. Dadurch entsteht eine hybride Struktur, die beide Systeme über eine einheitliche Schnittstelle verbindet und eine gemeinsame Nutzung ermöglicht.

Die Arbeitsweise

Sys-sage informiert andere Softwarekomponenten, um deren Aufgaben zur besseren Systemoptimierung zu erleichtern. So unterstützt das Werkzeug zum Beispiel die Auswahl, ob eine Aufgabe auf einem Quanten- oder einem klassischen System aufgrund ihrer Recheneigenschaften ausgeführt werden soll, oder die Zuordnung des Problems zu den besten Ressourcen in den jeweiligen Topologien.

„Mit dieser Architektur, die im Rahmen der 'Munich Quantum Valley Initiative' und dem 'Munich Quantum Software Stack' (MQSS) entwickelt wurde, legen wir die Grundlage für den produktiven und effizienten Einsatz von Quantencomputern in Supercomputing-Zentren", wertet Schulz den Erfolg.

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