Quanten-„Verschränkung“ im Rechenzentrum Mit Quantenbeschleunigung zur Quantenüberlegenheit

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Rechenzentren und Forschungseinrichtungen weltweit, angeführt von Pionieren wie dem Leibniz Rechenzentrum (LRZ), tüfteln fieberhaft an der Integration von Quantenprozessoren mit klassischen Systemen. Ein wahrer Goldrausch um den Quantenvorteil und die Quantenüberlegenheit ist ausgebrochen.

Quantencomputing bewegt sich in Siebenmeilenstiefeln von der experimentellen Phase hin zur breiten Anwendung nicht zuletzt dank dem Aufkommen hybrider quantenklassischer Systeme. Rechenzentren experimentieren mit Quantenprozessoren schon seit geraumer Zeit. Neuerdings beginnen sie, angeführt von Pionieren wie dem Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und dem Forschungszentrum Jülich Supercomputing Centre (JSC), Quantenchips mit klassischen Systemen zu integrieren, um ihnen konkreten Nutzen in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien zu entlocken: von der Simulation von Quantenphänomenen, etwa in der Materialforschung, über kryptographische Aufgabenstellungen bis hin zu komplexen Optimierungsproblemen.

Marktanalysen scheinen das außergewöhnliche Potenzial von Quantencomputing zu bestätigen. Das Marktforschungsinstitut BCC Research LLC aus Wellesley im U.S.-Bundesstaat Massachusetts orakelt zum Beispiel in dem Whitepaper „Quantum Computing Technologies and Global Markets to 2026“, dass der globale Markt für Quantencomputer- Technologien bis zum Jahr 2026 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von satten 33,2 Prozent auf einen Marktwert von 1,6 Milliarden US-Dollar anwachsen dürfte – um ein Mehrfaches dynamischer als der Datacenter-Markt insgesamt. Quantenbeschleunigung soll die Leistung herkömmlicher HPC-Systeme auf ein neues Niveau heben.

Mit einem Fuß in der Türe: Quantensprünge der Integration

Der Integration von Quanten- mit klassischem Computing hat sich unter anderem das Quantum Integration Centre (QIC) am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften verschrieben. Im Rahmen der Initiative Future Computing entstehen Algorithmen und Werkzeuge, die eine Brücke zwischen Quanten- und klassischen Systemen schlagen sollen.

„In mehreren vom Bund sowie über die bayerische Hightech Agenda im Rahmen des Munich Quantum Valley finanzierten Forschungsprojekten arbeiten wir seit über einem Jahr im QIC an der Integration von Quantenbeschleunigern ins Supercomputing“, enthüllt Laura Schulz, Leiterin der Abteilung Quantum Computing und Technologien am LRZ. „Unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen mit Partnern mögliche Betriebs- und Softwareumgebungen für solch hybride Systeme, sie entwickeln Anwendungsszenarien und testen erste Algorithmen für hybride Anwendungen“, erklärt Laura Schulz weiter.

Q-Exa am LRZ

Im Rahmen des Projekts „European Quantum Computing for Exascale-HPC“, auch bekannt als „EuroQExa“ oder „Q-Exa“, untersuchen Forscher verschiedene Möglichkeiten, um Quantenprozessoren als Beschleuniger in herkömmliche HPC-Rechenzentren zu integrieren. Im Munich Quantum Valley entsteht ein Softwarestack für Quantencomputer. Das LRZ als europäischer Quantencomputer-Standort spielt auch in diesem Projekt eine Schlüsselrolle.

Für das Projekt EuroQExa zum Aufbau eines quantenklassischen Systems der Exascale-Klasse, hat das LRZ mit Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung das erste Quantensystem bzw. den ersten Demonstrator in Deutschland von der deutsch-finnischen Firma IQM erworben. IQM liefert On-Premises-Quantencomputer an Supercomputing-Zentren und Forschungslabors mit einem unbeschränkten Zugang zu der Hardware. Das Unternehmen befolgt hierbei einen in eigenen Worten „einzigartigen anwendungsspezifischen Codesign-Ansatz“: Es baut aufgabenspezifische Quantencomputer gemeinsam mit seinen Anwendern.

Der Prozessor verfügt über 20 Qubits, die auf supraleitenden Metallen basieren und durch einen Kryostaten auf minus 273 Grad gekühlt werden. „Q-Exa ist ein Schlüsselprojekt für unsere Aktivitäten im QIC und im Munich Quantum Valley“, sagt Prof. Dr. Dieter Kranzlmüller, Leiter des LRZ und Professor für Informatik am Lehrstuhl für Kommunikationssysteme und Systemprogrammierung der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU). EuroQExa ist Teil der Initiative EuroHPC-JU (EuroHPC Joint Undertaking), einer Partnerschaft zwischen der Europäischen Union, den Mitgliedsstaaten und Industrieunternehmen zur Förderung von Forschung und Innovation im Bereich des Hochleistungsrechnens (HPC) und des Quantencomputings (QC) in Europa. Die Partnerschaft hat zum Ziel, eine leistungsfähige HPC- und Quantencomputing-Infrastruktur in Europa zu schaffen, um die Wettbewerbsfähigkeit Europas in diesem Bereich zu stärken.

Im Rahmen von EuroHPC-JU wurden mehrere Projekte, einschließlich EuroQExa, ins Leben gerufen, um die Entwicklung von Hochleistungsrechnern und Quantencomputern zu fördern.

„Die Anforderungen und Pläne von EuroHPC- JU passen vorzüglich zu unserer Strategie am LRZ“, kommentiert Prof. Dr. Martin Schulz, Mitglied des Direktoriums des LRZ und Professor für Informatik an der Technischen Universität München (TUM). „Wir sehen Quantencomputing als integralen Bestandteil des Hochleistungsrechnens: Quantencomputer können ihre Vorteile nur dann demonstrieren, wenn sie eng mit Supercomputern gekoppelt sind.“ Mit EuroQExa möchte man einen Schritt weiter gehen und den Quantensoftware-Stack in die HPC-Knoten integrieren. Dadurch würden Latenzen „extrem verkürzt“ und die Flexibilität und Effizienz bei der Nutzung von Quantencomputing optimiert. Auch das Forschungszentrum Jülich mit dem Jülich Supercomputing Centre (JSC) und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) zählen zu den Partnern im EuroQExa-Konsortium.

Quantenklassische Chips und Infrastrukturen in Jülich

Seit dem 17. Januar 2022 läuft im Forschungszentrum Jülich ein D-Wave-Quantenannealer der Generation Advantage mit mehr als 5.000 Qubits. Die Maschine ist nicht nur die erste ihrer Art in Europa, sondern auch der erste Quantencomputer der Welt, der direkt mit einem Supercomputer integriert wurde.

Das Forschungszentrum Jülich stellt die Rechenleistung der Quantenmaschine via Leap bereit, die Quantum Application Environment des kanadischen Quantencomputing-Pioniers D-Wave. Leap ermöglicht als die weltweit erste Cloud-Plattform den Entwicklern von Quantenanwendungen Echtzeit-Zugang zu einem Quantencomputer. Das Forschungszentrum Jülich war der erste Standort außerhalb Nordamerikas, der diesen Dienst bereitstellte. Das Technikwunder ist Teil von JUNIQ, der Jülicher UNified Infrastructure for Quantum (Computing), einer Quantencomputing-Plattform-as-a-Service (QC-PaaS).

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Weltweit tüfteln Rechenzentren und Forschungseinrichtungen fieberhaft an der Integration von Quantenprozessoren mit klassischen Systemen. Es ist ein wahrer Goldrausch um den Quantenvorteil ausgebrochen.

Quantencomputing steckt nicht mehr in den Kinderschuhen, sondern bewegt sich mit großen Schritten von der experimentellen Phase hin zur breiten Anwendung.

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HPCQS-Hybridisierung

Im Rahmen des paneuropäischen Pilotprojektes HPCQS (kurz für High-Performance Computing and Quantum Simulation) entsteht eine europäische föderierte Cloud-Infrastruktur, welche zwei Quantencomputer mit klassischem HPC zu einem eng integrierten verteilten quantenklassischen System verschmelzen soll. Den technologischen Unterbau bildet Fresnel, der Analog-Quantencomputer des französischen Startups PASQAL. Die Technologie von PASQAL basiert auf der Anordnung neutraler Atome in 2D/3D-Arrays optischer Pinzetten, die in ihren Rydberg-Zuständen interagieren, und hat dem Unternehmen im Jahre 2022 die Auszeichnung „Cool Vendor“ vom Forschungsinstitut Gartner beschert.

Das Projekt HPCQS erhielt Fördermittel vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Zu den Projektpartnern zählen neben dem Forschungszentrum Jülich und der Technischen Universität München (TUM), zu der auch das LRZ gehört, unter anderem auch das Institut für Quanteninformationsverarbeitung (iQI) der Universität Ulm, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Stuttgart und die Max-Planck-Institute für Quantenoptik und Festkörperforschung. Das LRZ und das Forschungszentrum Jülich entwickeln im Rahmen des Projektes Hardware-Komponenten und Code für die Skalierung von Quantenalgorithmen auf Hochleistungsrechnern und die Simulation von Quantenchips auf klassischen Systemen.

PASQAL will in der zweiten Jahreshälfte von 2023 in zwei klassischen HPC-Systemen je eine Fresnel-Quantenmaschine installieren: im modularen Supercomputer JUWELS des Jülich Supercomputing Centre (JSC) und im Supercomputer Joliot-Curie, den Atos gemeinsam mit CEA für GENCI entwickelt hat. Jeder Fresnel wird mit einem der beiden Tier-0-Systeme gekoppelt sein und als Quantenbeschleuniger für bestimmte Rechenaufgaben in den Bereichen Optimierung, Quantenchemie und maschinelles Lernen zum Einsatz kommen.

Im Rahmen des Pilotprojekts HPCQS entsteht zudem eine Programmierplattform für den Quantensimulator. Sie basiert auf zwei europäischen Softwareentwicklungen, der Atos Quantum Learning Machine (QLM) und ParTec Parastation Modulo der ParTech AG aus München. Diese beiden Lösungen ermöglichen zusammen die tiefe, latenzarme Integration von Quantensimulatoren in klassische modulare HPC-Systeme. Die Quantum Learning Machine (QLM) des französischen Technologieunternehmens Atos soll die Integration von Quantenchips mit klassischen HPC-Systemen erleichtern. Mit ihr können die Forscher Quantenalgorithmen entwickeln und Simulationsdaten erarbeiten, aber auch die ersten Codes und Schnittstellen entwickeln, über die binäre Chips mit universellen Quantencomputern zusammenarbeiten. Diese Vorarbeit bildet dann den Ausgangspunkt für alle weiteren Entwicklungen. Denn „viele der Vorarbeiten, die für die Integration des Quantencomputers in den Supercomputer notwendig“ sind, ließen sich am QLM durchführen noch bevor die eigentliche Hardware verfügbar sei, so Prof. Dr. Martin Schulz von der Technischen Universität München, Mitglied des Verwaltungsrats des LRZ.

PASQAL will praktische Anwendungen seines Quantensimulators unter anderem in Zusammenarbeit mit der BMW Group ausloten. Bei der sogenannten Quantensimulation handelt es sich um die Erforschung von Quantensystemen, die sich unter Laborbedingungen nicht untersuchen und mit Hilfe von Supercomputern nicht simulieren lassen, wohl aber in einem komplexeren Quantensystem nachgeahmt werden können.

Quanten-„Verschränkung“ im 19-Zoll-Rack

Auch in Sachen Quanten-„Verschränkung“ in Datacenter-Racks gibt es Fortschritte zu vermelden. AQT, das Quantencomputing-Startup aus Innsbruck, hat mit dem PINE-System einen Quantencomputer in zwei 19-Zoll-Serverschränken untergebracht, ganz nach dem Vorbild gewöhnlicher HPC-Infrastrukturen, mit denen Rechenzentren ohnehin bereits gut vertraut sind.

Das System adressiert HPC- wie auch gewöhnliche Rechenzentren. Es versorgt sich über eine einzige Steckdose an der Wand und benötigt für den Betrieb weder besondere Kühlung noch Schwingungsisolierung noch sonst irgendetwas Außergewöhnliches. AQTs Quantencomputer ließe sich sogar in einem Büro aufstellen.

Die Maschine baut auf der einheimischen Ionenfallen-Quantencomputer-Plattform aus Innsbruck auf. Elemente des Systems haben bereits Weltrekorde für die Verschränkung von Qubits erzielt, fortschrittliche Fehlerkorrekturen gemeistert und das erste universelle Gate-Set für logische Qubits demonstriert. PINE kann in zwei Racks die Infrastruktur für rund 20 Qubits unterbringen.

Im laufenden Jahr (2023) plant unter anderem auch IonQ seine quantenmechanischen Rackmount-Systeme an Kunden auszuliefern. In der Zwischenzeit will man mit dem IonQ Forte im vergangenen Jahr den ersten in Software konfigurierbaren Quantencomputer gebaut haben. Der börsennotierte Anbieter will es dann aber nicht dabei belassen. Bis zum Jahre 2025 soll der erste Desktop-Computer mit Quantenantrieb auf den Markt kommen.

Fazit

Die Integration von Quantenchips mit konventionellem Silikon ist noch weitgehend unerforschtes Neuland, doch sie schreitet dank vielseitiger Bemühungen im Affentempo voran. Wagemutige Vorreiter weisen den Weg in die hybride Zukunft – bereits mit nachweislich viel Erfolg.

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