Das, was CIOs jetzt beachten sollten Quantencomputing-Integration rüstet HPC-Zentren für die Zukunft

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Neben den Themen Künstliche Intelligenz und Nachhaltigkeit, ist die Integration von Quantencomputing entscheidend für die High-Performance-Computing-Zentren von morgen. Dabei konkurrieren klassische Computer und Quantencomputer nicht, sondern sie ergänzen einander.

Einerseits lässt sich High-Performance-Computing selbst als Beschleuniger einsetzen, um einen Quantenvorteil praktisch umzusetzen. So können mögliche Engpässe überwunden werden, die bei der Verknüpfung von Quantencomputern mit klassischen Computern auftreten können.

Andererseits können auch Quantenprozessoren Beschleuniger für HPC-Systeme sein, indem diese die bestehende Leistung um den so genannten Quantenvorteil erweitern. Es zeichnet sich ein ähnliches Bild wie bei GPUs ab: Diese waren zunächst zwar neuartig, aber haben inzwischen ihren festen Platz in HPC-Zentren gefunden. Dabei haben sie traditionelle CPUs nicht verdrängt, sondern gestärkt.

In der Podcast-Folge #24 der „DataCenter Diaries“ hat sich Jörn Höpfner, Scientific Business Development Manager bei Quantum Machines mit DataCenter-Insider-Chefredakteurin Ulrike Ostler über die Ansiedlung des Unternehmen in der baden-württembergischen Landeshauptstadt sowie den Staus Quo des Quantencomputing unterhalten. En passant erläutert er, was einen Quantencomputer ausmacht und wo derzeit die Probleme zu finden sind.

Die Podcast-Folge #24 von DataCenter Diaries findet sich auf Spotify, Apple Podcasts, Deezer, Amazon Musik und Google Podcasts.

Quantencomputer können Berechnungen vornehmen, die für klassische Systeme – selbst für Supercomputer – nicht durchführbar sind. Damit lassen sich komplexe Fragen und Probleme angehen, die sonst nicht zu lösen wären.

Dabei spielen Qubits – die Grundeinheiten von Quantencomputern – die entscheidende Rolle. Denn diese haben die außergewöhnliche Fähigkeit, mehrere Zustände gleichzeitig darzustellen, während klassische Bits immer nur in einem Zustand sein können. Das ermöglicht auf einen Schlag sehr große Lösungsräume zu erkunden und so hochkomplexe Berechnungen durchzuführen sowie zeitintensive Aufgaben schneller zu bearbeiten.

Das Potenzial

Das Potenzial von Quantencomputing sticht in drei Bereichen besonders hervor:

• Erstens werden durch Quantenalgorithmen Optimierungsprobleme deutlich schneller und effizienter lösbar. Entsprechende Algorithmen werden ihre Anwendung etwa in der Logistik bei der Routenplanung oder in der Fertigung bei der Prozessoptimierung finden.

• Zweitens wird sich das Maschinelle Lernen durch Quantencomputing wandeln. Umfangreichere Lernaufgaben werden praktisch durchführbar, was die schnellere Entwicklung von kompetenteren Algorithmen erlaubt.

• Der dritte Bereich umfasst die Simulation komplexer Systeme. Diese ist von großem wissenschaftlichem Interesse – vor allem in den Bereichen Chemie und Materialwissenschaft. Quantengestützte Simulationen helfen dabei, chemische Verbindungen und molekulare Interaktionen zu erforschen und neue Materialien zu entdecken.

Quantenintegration – Worauf zu achten ist

Wer Quantencomputing in ein bestehendes HPC-Zentrum integrieren möchte, sollte dabei diese zehn Punkte beachten:

• 1. Konkreten Anwendungsfälle für Quantencomputing sollten klar definiert sein und von der Kundschaft des HPC-Zentrums nachgefragt werden.

• 2. Vorab sollte geklärt sein, dass die verschiedene Hardware untereinander kompatibel ist. Die bestehende HPC-Infrastruktur sollte den Anforderungen der Quantencomputing-Hardware gerecht werden – insbesondere was Leistung, Kühlung und Schnittstellen angeht.

• 3. Es bedarf eines durchdachten Plans für die Integration von Quantencomputing in den Arbeitsablauf eines HPC-Zentrums. Hierbei ist auf die Schnittstellen zu den klassischen Systemen, sowie auf eine effiziente Ressourcenzuweisung zwischen Quanten- und klassischem Computing zu achten.

• 4. Die richtige Auswahl von Software-Tools, Bibliotheken und Plattformen, ist wichtig, um die Entwicklung von Quantenanwendungen für das HPC-Zentrum zu erleichtern.

• 5. Kennzahlen und Benchmarks sollten definiert werden, um die Effektivität und Effizienz von Quantencomputing-Lösungen zu bewerten.

• 6. Eine gründliche Kosten- und Return-on-Investment-Analyse erlaubt die Wirtschaftlichkeit einer Integration zu beurteilen.

• 7. Genügend Zeit sollte in die Auswahl von Anbietern und Partnerschaften fließen, denn sämtliche Aspekte sind hiervon betroffen – von Hard- und Software über Support-Dienstleistungen bis hin zur Schulung.

• 8. Die laufende Unterstützung und Wartung von Quantencomputern muss eingeplant werden, um einen reibungslosen Betrieb und optimale Leistung zu gewährleisten.

• 9. Quanten- und klassische Rechenressourcen müssen effektiv integriert werden, um so komplexe Probleme mit Hilfe hybrider Algorithmen und Architekturen zu lösen.

• 10. Ohne die richtigen Experten geht es nicht: Der Bedarf an Ausbildung und Personalentwicklung sollte geplant werden, um so ein Expertenteam aufzubauen, das mit der neuen Technologie arbeiten kann.

Die Priorisierung zu diesem Zeitpunkt

Es gibt verschiedene Technologien, die sich für die Entwicklung von Quantencomputern eignen – beispielsweise supraleitende Qubits, Ionenfallen oder neutrale Atome. Noch ist nicht absehbar, welche Technologie sich durchsetzen wird. Daher kann es sich für HPC-Zentren lohnen, auf mehrere zu setzen und etwa über Cloud-Angebote auf unterschiedliche Quantencomputer zu zugreifen.

Zwar gehen damit potenziell Latenzen einher, aber es entfallen die Betriebs- und Wartungskosten von On-Premises-Installationen. Darüber hinaus lässt sich so mehr Flexibilität bewahren, die hilfreich dafür sein kann, um auf technologische Entwicklungen zu reagieren und entsprechende Upgrades umzusetzen.

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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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Andererseits bietet der Besitz eines eigenen Quantencomputers Unternehmen stärkere Kontrolle. Sie können dann unabhängig über Benutzung und Priorisierung des Computers sowie über die Datenresidenz entscheiden.

Gegenüber von einem Cloud-Zugang ist zudem eine engere und schnelle Integration in bestehende HPC-Strukturen möglich. Auch sollten HPC-Zentren nicht unterschätzen, dass ein eigener Quantencomputer die Strahlkraft von Spitzentechnologie hat und damit für Kunden besonders attraktiv sein kann.

Eine vielfältige Chance

Obwohl Quantencomputing noch in den Kinderschuhen steckt, ist es weitsichtig, jetzt schon die ersten Schritte zu gehen. Expertise, die jetzt aufgebaut wird, zahlt sich später aus, wenn die Nachfrage nach der Technologie steigt.

Besonders die Kombination aus Quanten- und klassischem Computing erlaubt schon heute komplexe Berechnungen durchzuführen. Die stetige Weiterentwicklung der Technologie durch die Masse an Forschungsgeldern, die in den Bereich fließt, wird die Vorteile von Quantencomputing nur weiter ausbauen.

HPC-Manager sollten beginnen an einer Quantenstrategie zu arbeiten und sich auf verschiedene Quantentechnologien einstellen. Die Nutzung von Cloud-Angeboten ermöglicht den Zugang zu unterschiedlichen Arten von Quantencomputern und bewahrt gleichzeitig die Flexibilität, auf zukünftige technologische Entwicklungen reagieren zu können.

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