Leibniz-Rechenzentrum startet Quantum Integration Centre

Supercomputing hilft dem Quantencomputing auf die Sprünge

Ministerpräsident Markus Söder: „Das ist der Warp-Antrieb für die Forschung der Zukunft. Ein Supercomputer ist ein Instrument, der Quantencomputer ein ganzes Orchester. Wir ermöglichen Forschung in neuen Dimensionen mit einem Quanten-District in Bayern. Was das Silicon Valley heute ist, wird das Quantum Valley in Zukunft sein. Die Hightech Agenda Bayern mit insgesamt 3,5 Milliarden Euro schafft 13.000 Studienplätze und 1000 Professuren, allein 100 für KI.“

Wissenschaftsminister Bernd Sibler: „München soll mit Mitteln aus der Hightech Agenda Bayern einer der führenden Standorte im Bereich Quantentechnologien werden. Das Quantum Integration Centre ist der neuartige Prototyp eines zukunftsweisenden Experimentierlabors zur Verbindung von Quanten- und Supercomputing. Es ist mit dem LRZ als einem der weltweit leistungsfähigsten Rechenzentren am perfekten Ort angesiedelt. Hier findet exzellente Forschung in einem Netzwerk mit Universitäten, Forschungsinstituten und Technologiefirmen statt.“

„Im LRZ Quantum Integration Centre bündeln wir unsere Quantencomputing-Aktivitäten und treiben sie gemeinsam mit unseren Partnerinnen und Partnern im Munich Quantum Valley voran,“ erklärt Dieter Kranzlmüller, Leiter des LRZ. „Als international führendes Rechenzentrum arbeiten wir bereits daran, Quantencomputing-Hardware vor Ort aufzubauen und entwickeln Konzepte, um diese den Forschenden über unsere Cloud zur Verfügung zu stellen. In unserem Kursangebot bieten wir erste Seminare zur Aus- und Weiterbildung und als Höchstleistungsrechenzentrum beschäftigt uns natürlich die zentrale Frage, wie sich Quanten- mit Supercomputing kombinieren lässt. Damit wird Quantencomputing schneller nutzbar.“

Mit dem Quantum Integration Centre (QIC) verfolgt das LRZ drei anspruchsvolle Ziele und leistet einen wichtigen Beitrag zur Unterstützung des Munich Quantum Valley:
(1) Den Auf- und Ausbau von Services rund ums Quantencomputing für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler – gewohnt zuverlässig, sicher und flexibel.
(2) Die Entwicklung von Hard- und Software, um Quanten- ins Supercomputing zu integrieren. Außerdem das systematische Erforschen dieser aussichtsreichen Strategie, die beide Zukunftstechnologien bereichern und in Fahrt bringen wird.
(3) Der Austausch mit der internationalen Quanten-Community, um ein detailliertes Bild der Anforderungen der Nutzerinnen und Nutzer zu erhalten.

Die Aus- und Weiterbildung gefragter Computing-Expertinnen und -Experten bildet die Basis aller Aktivitäten.

Raus aus den Laboren und ab ins (wissenschaftliche) Rechenzentrum

Noch befindet sich Quantencomputing im Versuchsstadium. Mit ersten Komponenten und oft noch mit der Hilfe von Supercomputern kann aber schon Quantenvolumen aufgebaut werden, das Forschung und Wirtschaft nutzen. Deshalb kooperiert das LRZ mit Atos und hat die Atos Quantum Learning Machine (Atos QLM) – den weltweit leistungsstärksten kommerziell erhältlichen Quantensimulator – in Betrieb genommen. Das System wurde eigens dafür konzipiert, Algorithmen für das Quantencomputing zu entwickeln und erste Simulationen durchzuführen, und das ohne spezielle Quanten-Hardware.

„Wir sind geehrt, einer der ersten Hardware-Partner des LRZ Quantum Integration Centre zu sein“, so Elie Girard, CEO von Atos. „Quantumwissenschaften und -Technologien werden als Schlüssel des 21. Jahrhunderts angesehen. Atos hat eine breit angelegte Initiative gestartet, um Unternehmen dabei zu helfen, mit Quantumcomputing zu experimentieren und zu lernen, noch bevor sie Zugang zu Quantumhardware haben. Wir sind stolz darauf, dass die Atos Quantum Learning Machine innerhalb des Munich Quantum Valley zum Einsatz kommt.“

Co-Design für Quanten-Hardware

Während bereits erste Quantenalgorithmen und -Applikationen entstehen, entwickelt das LRZ mit dem finnisch-deutschen Startup IQM und weiteren Partnern zudem Quantenprozessoren. „Digital-Analoges Quantencomputing“ (DAQC) heißt das vom Bundeministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt, das die Technik von analogen, kontrollierbaren Systemen mit der von digital-universellen Quantencomputern kombiniert, deren Rechen-leistung sich mit jedem Qubit vermehrt. So sollen robuste Quantenprozessoren mit zunächst 5, 20 und dann 54 Qubits entstehen, außerdem Methoden und Elektronik zu deren Kontrolle. Diese innovativen Steuereinheiten werden zu-nächst in Zusammenspiel mit den High-Performance-Systemen des LRZ arbeiten und ihre Zuverlässigkeit dort beweisen. Dafür beschafft das LRZ einen Kryostat, ein Kühlgerät für die tiefen Temperaturen, auf denen Quantencomputing basiert.

„Bei IQM liegt unser Hauptaugenmerk auf dem Aufbau von Co-Design-Quantencomputern und der Integration von Quantenbeschleunigern in Supercomputing Zentren. Als Systemintegrator sind wir bereits heute in der Lage, Quantencomputer zu bauen, die diese Ziele erreichen können. Wir freuen uns darauf, mit dem LRZ und unseren Ökosystempartnern das ambitionierte DAQC-Projekt zu starten und weitere internationale Quanteninitiativen zu unterstützen“, sagt Jan Goetz, CEO von IQM Quantum Computers.

Experimentieren, Lernen, Wissen austauschen

Auf Basis der Quantum Learning Machine (QLM) und später den Quantenprozessoren wird das QIC Wissenschaft und Forschung hilfreiche Services rund ums Quantencomputing anbieten und diese ausbauen. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Qualifikation. Darauf ist das LRZ vorbereitet: Mit der bereits 2019 gestarteten Bavarian Quantum Computing eXchange (BQCX) ist nicht nur eine lebhafte Community für den internationalen Wissensaustausch zwischen Industrie, Informatik und Wissenschaft gewachsen, sondern ein Netz-werk starker Partnerschaften zur Technologieerkundung, für Co-Design und Ausbildung. Neben Ideen für erste Seminare und Workshops fanden sich in den BQCX-Treffen Pläne, Kontakte und Partner sowie Partnerinnen für Forschungsprojekte und formte sich die Quantenstrategie des LRZ mit dem QIC. So erforscht das LRZ, wie sich die Leistung von Supercomputern der nächsten Generation durch die Simulation von Quantenschaltungen steigern ließe. Auf seinem Höchstleistungsrechner SuperMUC-NG bietet das LRZ seit 2019 für Forschungszwecke einen Quantencomputing-Simulator mit 42 Qubit von Intel an. Kein Wunder also, wenn das Institut der BAdW gerade neue Mitarbeiterin-nen und Mitarbeiter in den Bereichen Quantencomputing, Administration, Software sowie Informatik für die IT-Technologie der Zukunft sucht.