Auf dem Sprung: Quanten- stärkt das Supercomputing

Mit Hilfe des Bundesministeriums für Bildung und Forschung schafft das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) zu Forschungszwecken einen Quantencomputer von IQM an, integriert diesen in seine Supercomputer und entwickelt ihn mit Partnern zur Marktreife.

Quantencomputing in den Forschungsalltag bringen und weiterentwickeln: Das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (BAdW) schafft einen ersten Quantencomputer des finnisch-deutschen Startups IQM an. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert diesen Kauf mit mehr als 40 Millionen Euro. Ziel des Projekts namens „Quantencomputer-Erweiterung für Exascale-HPC“ oder „Q-Exa“ ist, den neuen Computer weiterzuentwickeln, das High Performance Computing (HPC) damit zu beschleunigen sowie Know-how für künftige Computer- und Informationstechnologien aufzubauen: „Mit dem Projekt Q-Exa schlagen wir ein neues vielversprechendes Kapitel auf unserem Weg zum Quantencomputer ‚Made in Germany‘ auf“, begründet Bundesministerin Anja Karlizcek die Investition. „Die Integration eines Quantencomputers in die Infrastrukturen des Leibniz-Rechenzentrums birgt enormes Potential für Wissenschaft und Wirtschaft, Q-Exa trägt dazu bei, den Quantencomputer für Anwenderinnen und Anwender aus Wissenschaft und Industrie konkret nutzbar zu machen.“

Zukunfttechnologie stabilisieren

Für Q-Exa wird erstmals in Deutschland ein 20-Qubit-Computer auf Basis von supraleitenden Schaltkreisen mit HPC-Ressourcen gekoppelt, denn Supercomputer stoßen an Leistungsgrenzen, die mit bestehender Prozessoren-Technologie oder Künstlicher Intelligenz kaum zu überwinden sind. Auf dem Weg zu den leistungsfähigeren Exascale-Systemen, mit denen die wachsende Menge an Forschungsdaten ausgewertet und verarbeitet werden kann, ruhen die Hoffnungen auch auf Quantencomputern, die jetzt das Experimentierstadium verlassen. Sie rechnen nämlich nicht nur auf Basis von 0 und 1, ihre kleinsten Recheneinheiten, die Qubits, nehmen außerdem weitere Zustände an und sollen dadurch größere Datenvolumina in kürzerer Zeit verarbeiten können. Allerdings sind sie bislang nur schwer zu stabilisieren, außerdem fehlen noch grundlegende Programmierumgebungen und Software für Steuerung und Kontrolle. Im Zusammenspiel von Super- und Quantencomputing soll einerseits die neue Technologie für Wissenschaft und Wirtschaft alltagstauglich und kontrollierbar werden, andererseits kann das HPC deutlich höhere Leistungsstufen erreichen: "Q-Exa ist ein Schlüsselprojekt für unsere Aktivitäten im LRZ Quantum Integration Centre (QIC) und innerhalb des Munich Quantum Valley (MQV). Durch die Zusammenarbeit mit diesem äußerst wettbewerbsfähigen Konsortium werden wir in der Lage sein, europäische Standards zu setzen, die auch weltweit wettbewerbsfähig sind“, sagt Prof. Dr. Dieter Kranzlmüller, Leiter des LRZ. „Die Integration des Quantencomputings in Supercomputer, insbesondere auf Exascale-Ebene, wird die Forschung beschleunigen und eröffnet neue Möglichkeiten für Wissenschaft und Industrie.“

Gemeinsam optimieren und Know-how aufbauen

Die Strategie von Q-Exa ist Co-Design und Kooperation: Den 20-Qubit-Quantencomputer liefert das finnisch-deutsche Startup IQM, mit dem das LRZ bereits in weiteren Forschungsprojekten zusammenarbeitet. Ebenfalls beteiligt sind Atos, Anbieter von HPC- und Quantensystemen, sowie HQS Quantum Simulations, einer der führenden Anbieter von Quantenalgorithmen für die Chemie- und Pharmaindustrie. Zusammen mit diesen Partnerinnen und Partnern wird das LRZ das Quanten- wie auch das Supercomputing optimieren. „Die Kombination der leistungsfähigsten Computer der Welt mit dem Potenzial der Quantencomputer wird den nächsten großen Sprung im Höchstleistungsrechnen liefern“, so Kranzlmüller weiter. „Im Rahmen von Q-Exa können wir als nationales Höchstleistungsrechenzentrum nicht nur das HPC maßgeblich beeinflussen, sondern auch die Zukunftstechnologie Quantencomputing mitgestalten – eine spannende Herausforderung.“