Euro-Q-Exa in der Experimentierphase

Das Forschungsteam um die Athmosphären-Physikerin Dr. Mierk Schwabe vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet daran, das Potenzial von Quantencomputern für Erdsystem- und Klimamodelle zu erschließen. Ein Ziel der Quantencomputing-Initiative des DLR (DLR QCI) und speziell des Projektes Klim-QML ist es, mit Quanten-Maschinellem Lernen (QML) bestehende Modelle zu verbessern und so genauere Prognosen und Projektionen zu ermöglichen, außerdem die Auswirkungen von Wetter und anderen Naturphänomenen auf die Bereiche Luft- und Raumfahrt sowie Verkehr und Energie genauer analysieren und bewerten zu können. „Diese Entwicklungen für den Klimaschutz sind noch am Anfang“, meint Schwabe. „Klimamodelle sind selbst für Supercomputer oft zu groß, ihre Auflösung ist daher oft noch sehr grob und Prozesse wie Wolken, deren Bildung oder Turbulenzen können gar nicht aufgelöst werden.“ Weil sie aber für Wetterlagen und Klima wichtig sind, werden sie parametrisiert, also in eigenen Modellen vereinfacht und mit kleineren Berechnungsskalen nachgestellt: „Diese ,Untermodelle‘ sind nicht perfekt, führen zu Fehlern, die wir klassischerweise durch maschinelles Lernen ausgleichen,“ erklärt Schwabe. Diesen Prozess überführt ihr Team im DLR QCI-Projekt jetzt ins Quantencomputing, auch deshalb, weil die Rechenkraft der neuen Technologien Hoffnungen auf detailliertere, umfassendere Klima- und Erdsystemmodelle schüren und zugleich neue Rechenmethoden für Simulationen ermöglichen. „Wir freuen uns, dass wir unsere Methoden jetzt auf Euro-Q-Exa testen können. Neben den DLR QCI-Systemen bietet uns dieser sehr performante, supraleitende Quantencomputer neue Möglichkeiten“, sagt Schwabe.

Dr. Hedwig Keller, die als Mathematikerin für Schwabes Gruppe Methoden zur Kopplung der QML-Modelle an das Klimamodell des DLR entwickelt, hat deshalb auf Euro-Q-Exa mit zwei kleineren Modellen experimentiert. „Der Übergang vom simulierten zum echten Quantencomputing funktionierte wesentlich einfacher als erwartet“, sagt sie. „Wir haben mit zwei Quantenmodellen gerechnet, einer einfachen zweidimensionalen Wellenfunktion sowie einem größeren Modell für den Wolkenbedeckungsgrad. Beide hatten wir vorher in einer Quantencomputing-Simulation trainiert.“ Im März ließ sie diese Programme an verschiedenen Tagen von Euro-Q-Exa ausführen, arbeitete dabei mit 2 oder 6 Qubits, probierte dabei Recheneinheiten unterschiedlicher Qualität aus und versuchte Jobs zu parallelisieren, also mehrere Modelle mit unterschiedlichen Werten gleichzeitig laufen zu lassen. „Obwohl das Euro-Q-Exa-System jeden Tag neu kalibriert wurde, sahen die Ergebnisse schon recht ähnlich aus“, beobachtete die Mathematikerin. „Noch ist Quantenhardware verrauscht, was die Modelle und Ergebnisse beeinflusst, scheint zu einem gewissen Teil konsistent zu sein.“ Der Einfluss ließe sich vermutlich durch Veränderungen in der Programmierung oder aber durch eine Hardware-spezifische Optimierung minimieren.

Euro-Q-Exa bietet 54 Qubits, doch Computer dieser Größenordnung gelten als noch „verrauscht“ (Noisy Intermediate-Scale Quantum/NISQ) und fehleranfällig. Trotz regelmäßiger Kalibrierung schwankt die Qualität der Qubits. Daher entwickelten einige Gruppen in der Testphase von Euro-Q-Exa Strategien zur Fehlerminderung und -Korrektur – also Grundlagen für die Entwicklung eigener Programme und für zuverlässigere Hardware.

Euro-Q-Exa basiert auf supraleitenden Schaltkreisen, seine Recheneinheiten, die Qubits werden durch einen Kryostaten gekühlt und stabilisiert und durch Mikrowellenpulse aktiviert, Zustände zwischen 0 und 1 oder die Superposition einzunehmen und sich zu einem Quantengatter miteinander zu verschränken. Quantenschaltungen bringen diese Gatter wiederum in die richtige zeitliche Abfolge für Algorithmen und Funktionen. Durch Verschränkung und Superposition gewinnen Quantencomputer Rechenkraft und Tempo: Sie können Berechnungen mit mehreren Eingaben gleichzeitig ausführen, rechnen exponentiell schneller, und jedes weitere Qubit potenziert Leistung. Mit seinen 54 Qubits stößt Euro-Q-Exa bereits an die Grenzen eines Quantenzustands, den der Random Access Memory-Speicher (RAM) von High Performance Computing-Systemen (HPC) auf klassischen Wegen nicht mehr bewältigt.

Für die Entwicklung von Software ist auf Euro-Q-Exa der Munich Quantum Software Stack (MQSS) mit Adaptern zu gängigen Tools wie Qiskit oder PennyLane an. Der MQSS ergänzt diese um weitere Tools und Schnittstellen, auch für die Entwicklung von Anwendungen für hybrides High Performance Computing (HPC), das Supercomputing mit Quantencomputing beschleunigt oder beide Technologien miteinander kombiniert.detailliertere, umfassendere Klima- und Erdmodelle schüren und zugleich neue Rechenmethoden für Simulationen ermöglichen.