„Euro-Q-Exa wird uns in ein bislang unbekanntes Gebiet führen“

Der europäische Quantencomputer eröffnet Forschenden Möglichkeiten für neue Berechnungen und hybride Workloads, die verschiedene Quantentechnologien sowie Super- und Quantencomputing kombinieren.

Die Vorfreude ist groß im Team User Enablement and Applications des LRZ: Die Spezialistinnen unterstützen die Forschenden, die mit den Quanten-Systemen am LRZ arbeiten – und bald auch mit Euro-Q-Exa. Mit seinen 54 Qubits ist der europäische Quantencomputer das leistungsstärkste System im LRZ-Portfolio: „Mit der aktuellen Speicherkapazität von SuperMUC-NG können wir den Quantenzustand von Systemen mit bis zu 42 Qubits simulieren“, erklärt Luigi Iapichino, promovierter Physiker und Leiter des Teams. „Deshalb wird es zunehmend schwieriger, die Ergebnisse von Euro-Q-Exa mit klassischem Supercomputing nachzubilden.“ An der Schnittstelle zwischen High Performance Computing (HPC) und Quantencomputing entstehen neue Fragen, müssen neue Methoden entwickelt werden – ein spannendes Feld für Nutzende, Supportteams und die Forschung. Hier erklärt Luigi Iapichino, was Forschende von Euro-Q-Exa erwarten können und wie sie Zugang erhalten.

Das LRZ betreibt bereits Q-Exa, einen Quantencomputer auf Basis supraleitender Schaltkreise von IQM. Nun geht Euro-Q-Exa in Betrieb – was macht dieses System so besonders?
Dr. Luigi Iapichino: Das Quantencomputing ist noch eine junge und sich rasant entwickelnde Technologie, die wir in Supercomputer integrieren, um damit rechnen zu können. Mit 54 Qubits bietet Euro-Q-Exa mehr als doppelt so viele Qubits wie Q-Exa und damit deutlich mehr Rechenressourcen, grundsätzlich verdoppelt jedes weitere Qubit die Kapazität. Zudem basiert das europäische System auf stark verbesserter und weiterentwickelter Hardware im Vergleich zu früheren Produktgenerationen. Auch wenn Euro-Q-Exa noch keinen Quantum Advantage erreicht, überschreiten wir mit diesem System idealerweise die Grenze jener Berechnungen, die auf klassischen Supercomputern mit exakten Methoden simuliert werden können. Nach unserer Erfahrung können wir mit der aktuellen Speicherkapazität von SuperMUC-NG den Quantenzustand von Systemen mit bis zu 42 Qubits simulieren. Es wird also zunehmend schwierig, die Ergebnisse von Euro-Q-Exa mit klassischem Hochleistungsrechnen zu reproduzieren. Euro-Q-Exa wird uns in ein bislang unbekanntes Gebiet führen.

Gibt es außer der Rechenleistung weitere Unterschiede zwischen den Systemen?
Iapichino: Ein entscheidendes Merkmal der Systeme ist ihre Software. Euro-Q-Exa läuft mit der neuesten Version des Munich Quantum Software Stack, kurz: MQSS. Dieser enthält Adapter zu weit verbreiteten Quanten-Softwarepaketen wie PennyLane, Qiskit und CUDA-Q und ermöglicht einfachen Zugang zu zahlreichen Quantencomputing-Ressourcen in einer einheitlichen Umgebung. Innerhalb des Munich Quantum Valley arbeiten wir zudem mit Partnern zusammen, die weitere Programme und Tools bereitstellen, auch solche, die näher an wissenschaftlichen Anwendungen sind. Ein weiterer Unterschied: Q-Exa ist in SuperMUC-NG Phase 1 integriert, während Euro-Q-Exa mit Phase 2 verbunden wird. Das geplante zweite System mit mehr als 100 Qubits soll 2027 an den neuen Blue Lion angebunden werden.

Was lässt sich mit einem Quantencomputer mit 54 Qubits berechnen?
Iapichino: Die Anzahl der Qubits allein erzählt nicht die ganze Geschichte über das Potenzial eines Quantencomputers. Sie muss zusammen mit der Systemzuverlässigkeit, der Nutzbarkeit über verfügbare Software und der Integration ins HPC-Ökosystem betrachtet werden. Systeme dieser Größe und Qualität ermöglichen interessante Proof-of-Concept-Simulationen, insbesondere wenn HPC- und Quantenressourcen in hybriden Workflows kombiniert werden.

Wer kann Euro-Q-Exa nutzen – und was ist dafür notwendig?
Iapichino: Euro-Q-Exa wird Forschenden aus ganz Europa zur Verfügung stehen — über das Munich Quantum Portal sowie als Beschleuniger für HPC-Workflows, die Quantenressourcen einbeziehen. Das Portal bietet außerdem Zugang zu den LRZ-Quantenressourcen Q-Exa und dem Ionenfallen-System von AQT. Über das HPC-System sind hybride Workloads möglich, die Quantentechnologien mit klassischen Methoden kombinieren. Ein Zugangsverfahren der EuroHPC Joint Undertaking für europäische Quantencomputer wird noch entwickelt. Wir planen, im Juni nach einer Testphase den regulären Nutzerbetrieb zu eröffnen. Bis dahin werden die genauen Zugangsbestimmungen in der LRZ-Dokumentation zu finden sein.

Wo ist Quantencomputing stärker als High Performance Computing und wie zuverlässig sind die Ergebnisse?
Iapichino: Es gibt einige Bereiche, in denen Quantenalgorithmen ein günstigeres Skalierungsverhalten versprechen als ihre klassischen Pendants. Ein typisches Beispiel ist die Simulation von Quantensystemen in der theoretischen Chemie. Ein weiteres vielversprechendes Gebiet ist die Optimierung. Beide Felder zeigen interessante Ergebnisse, die belegen, wie wichtig die Entwicklung von Algorithmen ist, um auch begrenzte Hardware optimal zu nutzen. Allerdings: Noch sind diese Ergebnisse auch mit der Leistung klassischer Supercomputer zu erreichen – aber der Wettbewerb ist eröffnet.

Welche Forschungsdisziplinen profitieren davon?
Iapichino: Obwohl die aktuelle Liste vielversprechender Algorithmen nicht sehr lang ist, sind ihre potenziellen Anwendungen weitreichend. Die Simulation von Quantensystemen kann neben der Chemie auch Materialwissenschaften, Medizin, Festkörperphysik und viele weitere Bereiche beeinflussen. Optimierung hat ein breites Anwendungsfeld – von Lieferketten über den Energiesektor bis zur Finanzwelt. Bereiche wie Quantum Machine Learning gewinnen an Dynamik. Ein weiteres Forschungsfeld betrifft partielle Differentialgleichungen, die überall in der Strömungsmechanik, Klimaforschung und Astrophysik auftreten. Die aktuelle Forschung lässt hoffen, dass eine Kombination von Verbesserungen der Hardware sowie der Entwicklung von Algorithmen schrittweise Durchbrüche ermöglichen wird.

Gibt es bereits Interesse an Euro-Q-Exa, und was können Forschende vom LRZ erwarten?
Iapichino: Ja, selbstverständlich – wir haben erste Anfragen von Forschungsgruppen aus ganz Europa. Mit ihnen beginnen wir im März eine Friendly User Phase. Bei einem Kick-off mit IQM Quantum Computers erhalten die Teilnehmenden einen Überblick über die technischen Möglichkeiten von Hard- und Software. Anschließend unterstützt eine Solution Architect aus unserem Team jede Gruppe, implementiert bei Bedarf zusätzliche Software und hilft bei auftretenden Problemen. In dieser ersten Nutzungsphase werden wir evaluieren, was Forschende für ihre Arbeiten mit Quantencomputern benötigen. Während der ISC26 im Juni werden wir unsere Erfahrungen präsentieren.

Welche Schulungsmöglichkeiten gibt es?
Iapichino: Wir bieten bereits verschiedene Trainings zu Quantencomputing an und werden nun beobachten, welche Themen Forschende interessieren, welches Wissen sie benötigen und welche Inhalte wir ergänzen sollten. Außerdem werden wir neue Angebote auf den Quantensystemen einrichten – etwa Software oder Tools – und deren Stärken in Workshops mit Industriepartnern vorstellen. Interview: vs | LRZ