Für praktische Anwendungen

Hybrides Rechnen mit Quantensimulatoren

30. Mai 2022, 11:29 Uhr | Heinz Arnold
Ein 100-Qubits-Quantensimulator von Pasqal.
Ein 100-Qubits-Quantensimulator von PASQAL. Das bekannte, kontrollierbare System eines Quantensimulators wird dazu genutzt, ein anderes, meist komplexeres Quantensystem nachzuahmen. Der Quantensimulator dient als Beschleuniger für spezifische Aufgaben wie Optimierung, Quantenchemie und maschinelles Lernen.
© PASQAL

Am Forschungszentrum Jülich wird eine europäische Plattform für hybrides Hochleistungsrechnen mit zwei Quantensimulatoren in Betrieb gehen.

In der ersten Phase des HPCQS-Projekts (High-Performance Computer and Quantum Simulator hybrid) sollen zwei Quantensimulatoren des französischen Start-ups  PASQAL mit jeweils mehr als 100 Qubits in zwei Höchstleistungsrechner-Infrastrukturen eingebunden werden: in den von GENCI finanzierten Hochleistungsrechner JOLIOT CURIE am südlich von Paris gelegenen Supercomputing-Zentrum CEA/TGCC und in den modularen Supercomputer JUWELS am JSC in Jülich. 

Die enge Integration von Quantenhardware in klassische Rechnerarchitekturen – und damit die Bildung eines Hybridsystems – werten die Betreiber als einen wesentlichen Meilenstein, um die Leistung von Quantencomputern für erste praktische Anwendungen zu nutzen. Darüber hinaus wird HPCQS eine umfassende und hardwareunabhängige Programmierumgebung für Endnutzer entwickeln und bereitstellen, sowohl für Quantencomputer als auch hybride Anwendungen.

Um diese Ziele zu erreichen, haben GENCI und das Forschungszentrum Jülich – mit Unterstützung von EuroHPC JU – zwischen Dezember 2021 und Mai 2022 ein gemeinsames Verfahren auf der Grundlage eines PPI (Public Procurement of Innovative Solutions) gestartet, um zwei Quantensimulatoren zu erwerben, die mindestens 100 Qubits steuern können. Die Wahl fiel auf den analogen Fresnel-Quantensimulator von PASQAL, einem französischen Start-up-Unternehmen. Fresnel-Systeme basieren auf der Technologie kalter neutraler Atome (Rubidium), die in 2D/3D-Arrays angeordnet sind. Diese werden mithilfe laserbasierter optischer Pinzetten angeregt, um sogenannte Rydberg-Zustände zu erreichen.

Was die Quantensimulation bringt

Als Quantensimulation bezeichnet man die Erforschung von Quantensystemen, die sich unter Laborbedingungen nicht untersuchen und mit Hilfe von Supercomputern nicht simulieren lassen. Ein Quantensimulator ist selbst eine Art Quantencomputer – allerdings weniger flexibel als ein universell programmierbarer Quantencomputer und nur für bestimmte Probleme geeignet. Das bekannte, kontrollierbare System eines Quantensimulators wird dazu genutzt, ein anderes, meist komplexeres Quantensystem nachzuahmen.

Die zwei Quantensimulatoren werden jeweils mit einem der beiden Höchstleistungsrechner in Frankreich und Jülich gekoppelt und dienen als Quantenbeschleuniger für spezifische Aufgaben: Optimierung, Quantenchemie und maschinelles Lernen. Die beiden Fresnel-Quantensimulatoren werden in der zweiten Hälfte des Jahres 2023 bei CEA/TGCC und JSC installiert.

In der Zwischenzeit wird PASQAL Fernzugriff auf das hauseigene Fresnel-System gewähren, um die HPCQS-Aktivitäten im Hinblick auf die Einführung eines vollständigen hybriden Software-Stacks voranzutreiben. Dazu gehören Cloud-Zugang, Ressourcenmanagement für hybride Arbeitslasten, Tools und Bibliotheken, einschließlich Benchmarking und Zertifizierung und Leistungsanalyse.
Die Nutzer können so Prototypenanwendungen für maschinelles Lernen und wissenschaftliche Simulationen mitgestalten, mit Algorithmen wie VQE (Variational Quantum Eigensolver) und QAOA (Quantum Approximate Optimisation Algorithm).

Europa an der Spitze

»HPCQS ist die Fortsetzung der Pläne und Aktivitäten zum hybriden Quanten-HPC-Computing, die wir in Deutschland mit JUNIQ begonnen haben – auf europäischer Ebene gemeinsam mit unseren Partnern. Mit HPCQS sind wir weltweit die Ersten, die die enge Integration von HPC und Quantencomputing auf der Basis von modularem Supercomputing realisieren und Europa mit dieser innovativen Technologie an die Spitze der Forschung bringen«, erklärt Prof. Thomas Lippert, Leiter des Jülich Supercomputing Centre.

»Wir freuen uns darauf, die neuen Quantensimulatoren im Einsatz zu sehen. Die Bereitstellung und Nutzung der Fähigkeiten dieser Quantencomputer in Verbindung mit unserer bestehenden klassischen HPC-Infrastruktur wird es der europäischen Forschung und Industrie ermöglichen, neue und bahnbrechende technologische Anwendungen und Lösungen zu entwickeln«, sagt Anders Dam Jensen, geschäftsführender Direktor EuroHPC JU.

Dass der Fresnel-Quantensimulators von PASQAL für den Start von HPCQS ausgewählt wurde, werten Philippe Lavocat, CEO von GENCI, und Jacques-Charles Lafoucrière, HQI, Program Manager bei CEA, als historischen Schritt für Frankreich und Europa auf dem Weg zur Quantenüberlegenheit. In Verbindung mit dem Supercomputer Joliot Curie am TGCC werde seine einzigartige, auf kalten Atomen basierte 100-Qubits-Technologie es den europäischen Forschern ermöglichen, das Potenzial der Quanteninformatik für ihre wissenschaftlichen und industriellen Arbeitslasten konkret zu bewerten.

HPCQS (»High-Performance Computer and Quantum Simulator hybrid«) ist ein vierjähriges Pilotprojekt zur Entwicklung, Einrichtung und Koordinierung einer Cloud-basierten europäischen Infrastruktur. Das im Dezember 2021 gestartete Projekt wird vom Jülich Supercomputing Centre (JSC) koordiniert. Es wird unterstützt durch das EuroHPC JU (European High-Performance Computing Joint Undertaking) und sechs europäische Länder: Deutschland, Frankreich, Irland, Italien, Österreich und Spanien.
 


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