Deutschlands erster hybrider Quantencomputer steht in Bayern

Das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) hat erstmals in Deutschland einen Quantencomputer mit einem Supercomputer verbunden. Das System soll für Forschungszwecke genutzt werden.

Quantencomputer könnten zukünftig in der Lage sein, enorme Datenmengen schneller zu verarbeiten und innovative Lösungen für Herausforderungen zu finden, die derzeit in Bereichen wie Molekularchemie, Batterieforschung, Transportwesen und Finanzwesen unlösbar erscheinen. Im Zusammenspiel mit Hochleistungsrechnern sollen sie helfen, bisherige Leistungsgrenzen zu überwinden.

Dem Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) ist es gelungen, erstmals in Deutschland einen Quantenprozessor in einem Höchstleistungsrechner zu integrieren, heißt es in einer Pressemitteilung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften.

Das erste hybride einsatzfähige System ist das Ergebnis des Projektes „Quantencomputer-Erweiterung für Exascale-HPC“ – kurz „Q-Exa“. Daran arbeiten zusammen mit dem LRZ die Tech-Firmen IQM Quantum Computers, Eviden und HQS Quantum Simulations seit 2022.

Zukunft der IT

„Wir bauen gerade an der Zukunft der IT. Q-Exa ist ein Schlüsselprojekt für unsere Aktivitäten im LRZ Quantum Integration Centre, QIC, und zeigt den Erfolg von Co-Design“, so LRZ-Leiter, Prof. Dieter Kranzlmüller. Und weiter: „Mit unseren Partnern haben wir es in kurzer Zeit geschafft, den ersten Quantencomputer in unsere Supercomputer zu integrieren und für den Einsatz in der Wissenschaft zu befähigen – wir sind schon sehr gespannt darauf, wie sich das hybride System im Arbeitsalltag bewährt und wie wir damit die Zukunftstechnologie Quantencomputing weiterentwickeln können.“

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Q-Exa bietet eine Leistung von 20 Qubits

In Q-Exa wurde ein 20-Qubit-Prozessor von IQM Quantum Computers, der auf Basis supraleitender Schaltkreise funktioniert, mit klassischer Rechnertechnologie verbunden. Qubits sind die grundlegenden Informationseinheiten in einem Quantencomputer. Anders als klassische Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 haben können, nutzen Qubits die Prinzipien der Quantenmechanik, um mehrere Zustände gleichzeitig zu repräsentieren.

Miteinander verbunden tauschen SuperMUC-NG und Q-Exa testweise bereits Aufträge aus und beweisen so, dass beide Technologien zusammenarbeiten und noch tiefer miteinander verbunden werden können, heißt es.

Digitaler Zwilling von Eviden, Software von HQS Quantum Simulations

Und so funktioniert die Zusammenarbeit des Konsortiums:

Mit der Qaptiva von Eviden wurde ein digitaler Zwilling des 20-Qubit-Chips von IQM Quantum Computers implementiert. Damit konnten Schaltungen designt, kontrolliert und optimiert werden.

Mit der Partnerinstitution des Munich Quantum Valley wurde der Prototyp des Munich Quantum Software Stacks (MQSS) entwickelt. Seine Tools integrieren Quantensysteme in die Workflows von Supercomputern, koordinieren den Datenaustausch zwischen den unterschiedlichen Technologien sowie die Berechnungen des Quantenprozessors. Der MQSS wird in Zukunft noch um weitere Quantentechnologien ergänzt werden, neben der Hardware steht dieses Programmpaket Forschenden bald als Open-Source-Version zur Verfügung.

HQS Quantum Simulations steuert zum MQSS wiederum einen ersten praktischen Anwendungsfall bei: Das Start-up aus Karlsruhe entwickelte eine Software, mit der auf quantenbeschleunigten Supercomputern die Zusammensetzung neuer Materialien und chemischer Stoffe berechnet und simuliert werden kann.

Hybrides System wird für Forschungszwecke eingesetzt

Q-Exa ist nicht etwa in einem Labor installiert, sondern steht erstmals in direkter Nähe zu den Supercomputern im LRZ. Damit steht er Forschenden für künftige Experimente zur Verfügung. Auch online werden ausgewählte Forschende bald darauf zugreifen und damit experimentieren können. „So können die klügsten Köpfe unseres Landes an heute noch undenkbaren Lösungen für Probleme in verschiedensten Bereichen von der Medizin über Materialwissenschaften bis zum Finanzwesen forschen. Die Zukunft wird in Bayern gemacht!“, so Markus Blume, Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert mit rund 40 Mio. € die Integration von Quantum Processing Units (QPU) auf Basis von supraleitenden Schaltkreisen in einen Supercomputer sowie die Entwicklung von innovativen Schnittstellen, nützlichen Steuerungswerkzeugen und Software. (mv)