Hybrides Quantencomputing als erster Schritt zum nutzbaren Quantensystem

Quantencomputing wird das klassische Computing nicht ersetzen: Diese Einschätzung teilt das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) mit dem japanische RIKEN Supercomputing- und Forschungszentrum in Wako. RIKEN betreibt den Supercomputer „Fugaku“ und arbeitet seit etwa drei Jahren wie das LRZ daran, Quantenprozessoren ins High Performance Computing (HPC) zu integrieren sowie Workflows und Software fürs hybride Rechnen zu entwickeln. Das Institut ist an internationalen Forschungsprojekten beteiligt und kooperiert unter anderen mit Universitäten und Forschungseinrichtungen in Japan, Singapur und Frankreich: Prof. Dr. Mitsuhisa Sato, Leiter des RIKEN Center for Computational Science (R-CCS) und die promovierte Informatikerin Miwako Tsuji, präsentierten im Januar 2023, beim ersten BQCX-Treffen Pläne, Strategien und Ideen des japanischen Instituts und tauschten sich mit Quantenenthusiasten aus Bayern sowie mit dem Team für Quantencomputing und -Technologien des LRZ aus.

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Ähnlich wie das LRZ konzentriert sich RIKEN für die Integration auf supraleitende Quantentechnologie, das Forschungsinstitut experimentiert darüber hinaus mit photonischen Systemen. Um seine Grundlagenforschung rund ums Quantencomputing zu beschleunigen und Quantentechnologien für Nutzer:innen zugänglich zu machen, hat RIKEN außerdem einen Braket-Simulator mit bis zu 50 Qubits sowie einen Qulac-Simulator mit bis zu 30 Qubits in seinen Supercomputer eingebettet und will zudem noch ein System anschaffen, das auf Anwendungen der Künstlichen Intelligenz (KI) spezialisiert ist. Mit dieser Ausstattung erarbeiten unterschiedliche Abteilungen und Institutionen von RIKEN Machbarkeitsstudien zum Quantencomputing, entwickeln Algorithmen oder Software und optimieren Programmiersprachen. Außerdem stehen Tools zur Fehlerkorrektur bei der Produktion von Qubits auf dem Arbeitsplan.

Dabei konzentriert sich RIKEN insbesondere auf Quanten-Software für Materialwirtschaft und Molekularforschung. Beide Forschungsdisziplinen zeichnen sich durch hochkomplexe Berechnungen aus, für die es nur wenige Formeln gibt. Sie sollen vom Quantencomputing besonders profitieren. RIKEN spezialisiert sich seit seiner Gründung 1917 als „Rikagaku Kenkyujo“, als physikalisch-chemisches Institut, auf Natur- und Ingenieurswissenschaften. Intensiver als das LRZ beschäftigt sich RIKEN daher auch mit den theoretischen Grundlagen des Quantencomputers. Die Integration von Quantenprozessoren ins Supercomputing wird hier als Zwischenschritt auf dem Weg zu einem eigenständigen Quantensystem gesehen. Als Forschungs- und Supercomputing-Zentrum baut RIKEN außerdem an einer Plattform, über die Wissenschaftler:innen auf andere Quantensysteme und Annealer, etwa von D-Wave, IBM, zugreifen können.

Neben RIKEN waren beim ersten BQCX-Treffen Vertreter:innen des britischen Technologieanbieters Oxford Instruments dabei. Sie präsentierten neue Lösungen für Kryostaten. Mit diesen Geräten werden supraleitende Quantensysteme bis auf den absoluten Nullpunkt, -270 Grad Celsius, gekühlt, um damit die Recheneinheiten des Quantencomputings, die Qubits, zu stabilisieren. Mit neuen, auf niedrigste Temperaturen spezialisierte Module erweitert Oxford Instruments seine bestehenden Kryostaten und bereitet sie auf Quantum Processing Units (QPU) vor, die 20 und mehr Qubits bieten. Mit enthalten in diesen Paketen: Schnittstellen zur Kontrolle und Steuerung dieser neuen Kühltechnologie.
 

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