Was beschäftigt das Team derzeit praktisch?
Guggemos: Die beiden Euro-Q-Exa-Systeme, die wir im Auftrag der EuroHPC Joint Undertaking betreiben, machen gerade viel operationellen Aufwand: Für den 54-Qubit-Computer organisieren wir Projekte und werten Erfahrungen aus. Ein weiterer Rechner wird gerade installiert. Da klären wir, welche Netzwerke darin verfügbar sein sollen, passen ihn an die LRZ-Infrastruktur an, danach folgen Fragen zur Kalibrierung, außerdem werden wir prüfen, ob das System die Forderungen der Ausschreibung erfüllt. Dieses neue Euro-Q-Exa-System soll um 150 Qubits bieten, mit denen Verschränkungen und Gatter einer festgelegten Güte aufgebaut werden können. Um das zu prüfen, brauchen wir Wissen und Erfahrung. Nicht zuletzt geht es auch darum, uns neue Forschungsfragen zu stellen und das Team darauf auszurichten.

Müssen User des ersten Euro-Q-Exa-Systems ihre Algorithmen und Anwendungen anpassen, wenn sie auf den größeren Euro-Q-Exa-Rechner wechseln?
Guggemos: Eher nicht, auch wenn mit dem 150-System das Quantencomputing noch interessanter wird, gerade was die Anwendungen betrifft. Viele Algorithmen funktionieren mit mehr Qubits besser, wenn damit nicht nur Toy-Probleme ausprobiert werden sollen. Mit Euro-Q-Exa-2 können wir tiefer in datenintensive Felder wie Erdbeobachtung, Chemie, Materialwissenschaften eintauchen und das komplette System für anspruchsvollere Berechnungen nutzen. Das ist vor allem eine Codierungsfrage, Beispiel Bilddaten: Ich kann zwar ein Pixel in ein Qubit einbringen, aber für die Kontrolle der Farbwerte oder für Berechnungen werden zusätzliche Qubits – so genannte Ancillas – gebraucht. Mit mehr Qubits können die betrachteten Ausschnitte vergrößert oder detaillierter ausgewertet werden. Aber: Die Ergebnisse sind bei einem Quantencomputer dieser Größenordnung nicht mehr überprüfbar, jedenfalls nicht mit den gewohnten Methoden. Ein Supercomputer kann noch Ergebnisse von 20, 30, 40 Qubits simulieren, ab 50 Qubits geraten wir an technische Grenzen, aber die Ergebnisse sind mit denen der niedrigeren Qubit-Zahlen vergleichbar. Anders bei 150 Qubits – bei dieser Größe sind wirklich andere Lösungen vorstellbar, und zur Verifizierung brauchen wir neue Methoden oder Messungen.

Kann Euro-Q-Exa auch alleine und ohne Unterstützung von klassischem HPC genutzt werden? Guggemos: Jein, man kann den Quantencomputer natürlich auch alleine benutzen, aber man braucht dazu die Steuerung klassischer Systeme sowie das Quantum Portal des LRZ oder das Portal der EuroHPC Joint Undertaking, in deren Auftrag wir die beiden Systeme betreiben. Sie legt bei der Vergabe von Rechenzeit Wert darauf, dass Projekte einen klassischen HPC-Anteil beinhalten.
Und ja, der Quantencomputer kann auch ohne Supercomputer rechnen, das wird eventuell beim neuen, größeren System an Bedeutung gewinnen. Spannend werden Algorithmen und Anwendungen, die nicht wie bisher nur auf den Vorteil Geschwindigkeit abzielen, sondern ganz neue Funktionen und Berechnungen ermöglichen. Es gibt bereits super-spannende kryptographische Algorithmen fürs Blind Computing, mit denen Quantencomputer verschlüsselte Daten verschlüsselt berechnen können. Das ist ein neuer Ansatz zur Datensicherheit, für den man aber viele Qubits braucht. 

Gab es diese Fragen rund die Nachvollziehbarkeit von Ergebnissen auch in den Startzeiten des klassischen Supercomputings oder HPC?
Guggemos: Man kann das durchaus mit der Entwicklung von klassischen Computern und KI vergleichen. KI spuckt Ergebnisse oder Auswertungen aus, die in annehmbarer Zeit nicht mehr zu evaluieren sind. Bei KI stoßen wir nun wie früher beim Supercomputing an die Kapazitätsgrenze Zeit. Maschinen und Netze produzieren Lösungen in einem Tempo, die mit sinnvollem Zeitaufwand nicht mehr überprüfbar sind. Früher wurden die Raketen-Flugbahnen von Dutzenden von Mathematikerinnen gelöst, aber als Hochleistungscomputer diese im Minutentakt berechneten, mussten die Lösungen auf Richtigkeit und logische Korrektheit geprüft werden. Zurzeit löst KI ein Millenium-Problem der Mathematik nach dem anderen. Schön, aber zur Lösung muss es halt Menschen geben, die die 80-Seiten-Paper verstehen, in denen die hochkomplexen Lösungswege beschrieben werden. Nicht alle Lösungen der KI oder des Quantencomputers können mit den Ergebnissen aus Multiplikationen oder eines Sets aus mathematischen Formeln geprüft werden. Beispiel Quantensimulation von Molekülen: Diese liefern oft keine deterministischen, eindeutigen Lösungen, sondern wahrscheinliche Schätzungen, die sich einem möglichen Ergebnis annähern. Diese kann ich simulieren, aber dann muss wieder im Labor getestet werden, ob sich das Molekül tatsächlich so entwickelt, wie mit dem Quantencomputer modelliert.

Welche Communities entwickeln sich zum Quantencomputing?
Guggemos: Über die europäischen Ausschreibungen der EuroHPC Joint Undertaking und die Euro-Q-Exa-Systeme formiert sich gerade ein Netzwerk aus Rechenzentren, die alle vor vergleichbaren Herausforderungen mit Integration, Betrieb, Scheduling von Aufträgen, Administration und Organisation stehen wie das LRZ. In den letzten Jahren entstanden außerdem Communities in der Software-Entwicklung, die Standards entwickeln und neue Programme präsentieren. Mit denen sind wir ebenfalls im Kontakt, gerade im Munich Quantum Valley. Hier werden immer neue Fragen diskutiert und Projekte angeschoben. Wir bieten den Nutzerinnen Zugriff auf diverse Quantensysteme, ähnlich wie kommerzielle Anbieter über die Cloud, außerdem im Zusammenspiel mit HPC-Systemen. Gerade der HPC-Zugang können sie individuell nach ihren Ansprüchen gestalten. Anbieter wie IQM, Amazon und anderen bieten das nicht, ihre Angebote sind an eigene Technologien und Software gebunden. Am LRZ indes können Anwenderinnen mit unserer Unterstützung bis zu einem gewissen Grad die Regeln der Nutzung selbst festlegen, um Technik besser einzusetzen oder zu kombinieren. Das ist einmalig und der größte Vorteil des On-Premise-Quantencomputings am LRZ – wer die Hardware gut versteht, dem können wir mehr Freiheiten bieten.

Welche Fragen interessieren die Nutzerinnen und Nutzer zurzeit?
Guggemos: Wie die Politik und Fördergeberinnen sind auch Forschende zurzeit vor allem an der Fehlerkorrektur von Quantensystemen interessiert. Dazu wird die Hardware optimiert und es entstehen gerade sehr viele Algorithmen und Software. Das wird die nächsten Jahre prägen und auch uns am LRZ beschäftigen. Wie größere und besser korrigierte Quantencomputer eingesetzt werden, das werden wir aktiv begleiten. Wir werden unsere praktische Expertise einbringen, sicher aber keine eigene Hard- oder Software bauen, das kann die Industrie besser. Auch das verteilte Quantencomputing und die Nutzung verschiedener Technologien ist ein fruchtbares Feld, das wir mit Forschenden intensiv bearbeiten werden.

Welches Thema davon interessiert dich am meisten – auch für das Quantentechnologie-Team?
Guggemos: Ich habe mich dem Thema Quantencomputing aus der Perspektive von Netzsicherheit und Kryptografie genähert, Themen, die ich an der Universität Wien intensiv verfolgt habe. Diese würde ich gerne hier am LRZ weiter vertiefen. Dabei steht die Verbindung von Quantencomputern im Fokus und wie sie miteinander kommunizieren, aber auch wie wir Quantenkommunikation einsetzen können. Mit Quantenzuständen Schlüssel oder Codes austauschen, um beispielsweise Wahlen oder die Onlinebezahlung und andere kritische Informationen abzusichern – das entwickelt sich aktuell auch in der EU als Thema. Das LRZ mit seiner Netz-Infrastruktur und den System-Angeboten ist wie gemacht für die Erforschung solcher Fragen. Quantensicherheit, Quantenkommunikation werden sich neben dem Einsatz unterschiedlicher Quantentechnologien zu einem Schwerpunkt am LRZ entwickeln. Das LRZ bietet die einmalige Situation, dass hier verschiedene Quantensysteme neben Hoch- und Höchstleistungsrechnern nebeneinander betrieben werden. (LRZ | vs)

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