54 Qubits – und bald mehr
Das ist der neue Quantencomputer am LRZ
»In Euro-Q-Exa« arbeitet die Radiance-Technologie von IQM. Speziell für die Integration in Hoch- und Höchstleistungsrechner entwickelt, minimiert das System Latenz und maximiert Rechenleistung insbesondere in hybriden Workflows.
Der Computer bietet abstimmbare Koppler und High-Fidelity-Gates, die eine Gittertopologie ermöglichen. Er ist für die Ausführung groß angelegter Algorithmen optimiert und wird durch einen Kryostat auf unter -273 Grad Celsius gekühlt, um die empfindlichen Recheneinheiten zu stabilisieren und nutzbar zu machen.
Mit dieser Architektur wird »Euro-Q-Exa« in Garching die Grenzen des High Perfomance Computings (HPC) austesten: Können die Funktionsweise und Ergebnisse von Quanten-Prozessoren (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.
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Grundsätzlich funktionieren Quantencomputer anders, sie nutzen die Superposition und Verschränkungen zwischen mehreren Qubits und können so mathematische Fragen wie etwa das Problem des Handlungsreisenden lösen, eine Optimierungsaufgabe aus der Logistik, die nach der effizientesten Verbindung von Standorten sucht. Jeder Punkt potenziert dabei die Zahl der Möglichkeiten, bei 10 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 Aufgaben beschäftigen Handel und Logistik oder sind im Finanzwesen sowie für das Design von Microchips notwendig. Außerdem hoffen Forschende 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.
Skalierbare Werkzeuge für hybride Workflows
Euro-Q-Exa wird Forschenden aus Deutschland und Europa über das Munich Quantum Portal (MQP) sowie über das Portal der EuroHPC JU zugänglich gemacht. Der Quantencomputer kann so für sich oder in Kombination mit SuperMUC-NG sowie in Zukunft auch mit Blue Lion, dem nächsten Supercomputer am LRZ, eingesetzt werden. Zur Programmierung stehen dafür auf dem System nicht nur weit verbreitete Quanten-Software-Pakete wie Qiskit oder PennyLane sondern auch verschiedene neue Programmiersprachen zur Verfügung. Diese macht der Munich 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.
Das LRZ hostet und betreibt den innovativen Quantencomputer. Das Garchinger Rechenzentrum hat umfangreiche Erfahrungen mit der Integration verschiedener Quantentechnologien in Supercomputer sowie mit deren Betrieb und Nutzung gewonnen. So ist Euro-Q-Exa der zweite hybride Quantencomputer, den das LRZ gemeinsam mit IQM Quantum Computers im Rechnergebäude installiert hat und den es Forscherinnen und Forschern über sein Munich Quantum Portal (MQP) zur Verfügung stellt.
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