„Wir streben einen ROI von unter 12 Monaten an“ QMware und Quix Quantum bieten eine neuartige Synthese von HPC und QC

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Hybrides Quantencomputing i(QC) st das Thema der Stunde. Doch eine effiziente Kombination von High Performance und Quantecomputing ist in der Praxis alles andere als einfach. Mit ihrer Kooperation eröffnen indes die europäischen QC-Pioniere QMware und Quix Quantum nicht nur technologisch eine neue Dimension.

Quantencomputer (QC) können unglaubliche Rechenleistungen vollbringen, ob in der Planung, den Materialwissenschaften oder der Finanzwirtschaft, um nur einige zu nennen. Derzeit gilt das freilich eher „perspektivisch“, will heißen: Man benötigte für derartige Leistungen Rechner mit Quantenbits („Qubits“) von deutlich höherer Güte und direkten Verbindungen dazwischen als diejenigen, die heute verfügbar sind. Im Moment hat man bestenfalls Rechner mit maximal einigen 100 fehlerbehafteten und sehr begrenzt verschränkbaren Qubits zur Verfügung.

Anderseits sind klassische Höchstleistungsrechner („Supercomputer“) in der Praxis schon ziemlich leistungsstark, „perspektivisch“ ist aber klar, dass sie physikalisch bald an ziemlich harte Grenzen stoßen.

Was liegt näher, HPC und QC zu einem hybriden Gespann zu verbinden und dadurch das Beste aus beiden Welten herauszuholen. Doch die beiden Welten sind in ihren Architekturen derart verschieden – QC ist nativ analog, HPC eindeutig digital -, so dass das Zusammenkoppeln eine heikle Sache ist.

„Integration auf allen Ebenen des Computational Stacks“

Jetzt scheinen allerdings zwei europäische Pioniere in puncto hybridem Quantencomputing (taugliche technische) Mittel und (praktisch gangbare) Wege gefunden zu haben, um aus einer Synthese aus HPC und QC praktischen und ökonomischen Nutzen zu schlagen: „Eine Kombination von HPC und QC muss besser sein als jede Lösung aus nur einer dieser Welten, sonst wird sie in der Praxis keinen Erfolg haben“, sagt Markus Pflitsch, zusammen mit Georg Gesek einer der beiden Geschäftsführer des schweizerisch-österreichisch-deutschen QC-Cloud-Anbieters QMware.

„Die Integration muss auf allen Ebenen des Computational Stack stattfinden, eine bloße Verbindung auf der Workflow-Ebene von HPC und QC beispielsweise ist keine tragfähige Basis für die Software-Entwicklung, das ist nicht viel mehr als ein Webservice“, ergänzt Georg Gesek. Konkret benötige man eine vollständige Integration aller Befehle in einem Software Developer Kit, sodass man den Code auf verschiedenster Quanten-Hardware ablaufen lassen könne.

Quantencomputer ziehen ins Rechenzentrum ein

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.

Es ist unser erstes eBook (Mai 2023) zum Quantencomputing überhaupt und die Inhalte sind spannend. Laura Schulz, Leiterin der Abteilung Quantum Computing und Technologien am LRZ, liefert zum Beispiel Einblicke in die Praxis und in den Stand der Forschung. Ihre Expertise wird zum roten Faden durch die verschiedenen Aspekte der Integration von klassischer IT und den Quantencomputern.

>>> eBook „Quantencomputer ziehen ins Rechenzentrum ein“ zum Download

Desgleichen reiche es nicht, einfach ein klassisches Betriebssystem mit einem Quanten-Prozessor additiv zu verbinden, vielmehr benötige man eine kombinierte spezifische Betriebsumgebung, die beide Welten vereint und das in einem verteilt zugreifbaren Hauptspeicher läuft.

Damit sind die beiden Hybrid-QC-Pioniere gleich bei einer weiteren wichtigen Integrationsebene – vermutlich der wichtigsten -, und das ist die Netzwerkebene. Die Netzwerkschnittstellen sollen mindestens 100 Gigabit in der Sekunde Daten austauschen können und es müssen Latenzzeiten im Nanosekundenbereich möglich sein.

Ideale Kombi: HPC und photonische Quantencomputer

Spätestens hier kommt der dritte Akteur in dem Projekt, die Firma Quix Quantum mit ihrem CEO Stefan Hengesbach, ins Spiel. Quix Quantum entwickelt photonische Quantencomputer, also Quantenrechner, die auf der Codierung und Prozessierung von Quanteninformationen durch Licht beruhen (siehe Kasten). Der entsprechende Quantenprozessor kann Information verarbeiten, die entweder durch einzelne Photonen transportiert wird, oder durch so genanntes gequetschtes Licht.

„Gequetschtes Licht kann im Prozessor erzeugt werden und zeichnet sich dadurch aus, dass die quantenmechanische Unschärfe der Messgröße reduziert ist. Dieses spezielle Licht wird auch in sehr empfindlichen Gravitationswellendetektoren eingesetzt. Beide Arten von Licht, sowohl Einzelphotonen wie auch gequetschtes Licht, werden nach der Erzeugung informationstechnisch verarbeitet und schließlich detektiert. Die einzelnen Lichtpulse werden dabei analog zu Leiterbahnen für Elektronen in Wellenleitern auf dem Chip geführt“, erläutert Hengesbach das Verfahren.

Der Vorteil photonischer Qubits sei ihre geringe Dekohärenz, eine hohe Taktrate (durch die photonische Quantencomputer trotz probabilistischer Gatter effizient werden) und die Übertragung auch bei Raumtemperaturen, so dass die Quantenzustände auch über lange Übertragungswege erhalten bleiben. Die Grundlage für den photonischen Quantenprozessor bilden laut Hengesbach integrierte photonische Schaltkreise auf der Basis von Siliziumnitrid. Das sei eine ausgereifte Technologie, welche nur geringe Verluste erzeuge, so dass sich der Fehler durch Verlust von Photonen und somit Information in korrigierbaren Grenzen halte. Vor allem aber sei die Technologie mit Verfahren aus der Telekommunikationsindustrie skalierbar und könne mit anderen photonischen Technologien wie Glasfasernetzwerken verbunden werden.

Große Vorteile gegenüber bisherigen HPC-QC-Kombis

In einem Co-Location-Rechenzentrum im niederländischen Enschede entwickeln derzeit QMware und Quix Quantum gemeinsam eine voll integrierte, hybride Quantencomputer-Plattform, wie sie in ihren Grundzügen oben beschrieben wird. Nach Aussage von Pflitsch, Gesek und Hengesbach kombiniert die Plattform „zum ersten Mal weltweit eine High-Performance-Computing-Infrastruktur (HPC) und eine native Quantencomputing-Technologie vor Ort“.

Qmware und Quix Quantum kooperieren

In Enschede entsteht ein Quantencomputing-Rechenzentrum

Die neue hybride Quantencomputer-Plattform soll ab Oktober 2023 für kommerzielle Anwendungen einsatzfähig sein. Die Kombination von HPC-Hardware und nativer Quantenhardware ermöglicht die synergetische Ausführung von hybriden Quantenalgorithmen auf einer Quantencomputer-Plattform, welche prinzipiell unter anderem neuronale Netzwerke, Gatter-basierte Logik oder auch Eigenlösungen beinhaltet.

Der gewählte Ansatz bietet nach Darstellung der Hybrid-Quantencomputer-Pioniere „erhebliche Leistungsverbesserungen und Kosteneinsparungen gegenüber bestehenden kommerziellen Anbietern hybrider Quantentechnologie“. Letztere benötigten Web-Integrationen auf separaten Speichersystemen, um HPC-Hardware und Quantenhardware zu kombinieren, was erhebliche Reibungsverluste bewirke und letztlich verhindere, dass sich eine kommerzielle Quantenüberlegenheit einstellen könne.

Kommerzielles Outperforming

Die Quantenexperten von QMware und Quix Quantum sind zusammen mit ihren Teams nicht nur technische Cracks, sondern auch ökonomische Fachleute. Markus Pflitsch beispielsweise ist neben seiner Tätigkeit bei QMware auch CEO beim Quantentechnologie-Unternehmen Terra Quantum, dessen Spezialität unter anderem die Entwicklung von Quantenalgorithmen und die „tiefe“ Verzahnung dieser Algorithmen mit klassischen Rechnern ist.

Gleichzeitig ist Pflitsch in der weltweiten Investorenszene in Sachen Quantencomputing bestens vernetzt. Nicht umsonst wird deshalb von dem Pionier-Trio der kommerzielle Aspekt besonders betont. „Unser Projekt ist so angelegt, dass sich entsprechende Investitionen innerhalb von zwölf Monaten rechnen müssen, nur dann erreichen wir das kommerzielle Outperforming der hybriden Quantentechnologie, von der nicht zuletzt auch ein aktueller McKinsey-Report spricht“, meinen die drei unisono.

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