Quantencomputing am JSC

Das Quantencomputing ist eine neue, innovative Art des Rechnens mit potenziellen Anwendungen bei Quantensimulationen in der Chemie, in den Materialwissenschaften, der Optimierung und dem maschinellen Lernen. Die Entwicklung von Algorithmen und Werkzeugen für Quantencomputergeräte zur Lösung sehr schwieriger und bisher unlösbarer Rechenprobleme in Wissenschaft und Industrie stellt eine große Herausforderung und Chance dar. Vor kurzem hat das Jülich Supercomputing Centre sein Engagement im Bereich des Quantencomputing verstärkt, indem es mehrere Verträge mit führenden Unternehmen unterzeichnet und die JUNIQ-Infrastruktur gestartet hat.

Start von JUNIQ und Vertrag mit D-WAVE Systems

"Wir rechnen mit Quantencomputern": Unter diesem Motto wurde am 25. Oktober JUNIQ, die neue "Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing", in Betrieb genommen. Der Startschuss fiel mit der offiziellen Unterzeichnung eines Nutzungsvertrages für einen Quantum Annealer des kanadischen Quantencomputerherstellers D-Wave Systems. Damit ist das Forschungszentrum Jülich die erste D-Wave Leap™ cloud-basierte Stätte für Quantencomputing in Europa. Eröffnet wurde die Veranstaltung mit einem Grußwort von Annette Storsberg, Staatssekretärin im nordrhein-westfälischen Ministerium für Kultur und Wissenschaft, und einer Botschaft von Thomas Rachel, Parlamentarischer Staatssekretär im Bundesministerium für Bildung und Forschung. Die Landesregierung und das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützen die Gründung von JUNIQ mit jeweils 5 Millionen Euro.

JUNIQ wird das einheitliche Portal zu verschiedenen Quantencomputern sein - zugänglich über die Cloud für deutsche und europäische Nutzer. JUNIQ wird damit ähnliche Dienstleistungen für Quantencomputer anbieten, wie sie für die Jülicher Supercomputer schon lange verfügbar sind: Unter der Leitung von Experten können die Forscher Quantencomputer - von experimentellen Systemen und Prototypen bis hin zu ersten Produktionssystemen - nutzen und dafür Algorithmen und Anwendungsprogramme entwickeln.

Das Quantensystem von D-Wave - ein so genannter Quantum Annealer - wird über Leap™, den Quanten-Cloud-Service des Unternehmens, zugänglich sein. In Jülich wird die erste europäische Installation des Quanten-Cloud-Dienstes Leap von D-Wave stattfinden. Im Rahmen der Vereinbarung wird Jülich auch von der bevorstehenden Veröffentlichung von Advantage™ profitieren, dem Quantensystem der nächsten Generation von D-Wave mit einer neuen, hochgradig vernetzten Pegasus-Topologie, geringerem Rauschen und einer erhöhten Qubit-Zahl.

Forschungspartnerschaft mit Google

Bereits im Juli kündigte das Forschungszentrum Jülich eine weitere Forschungspartnerschaft im Quantencomputing mit Google an, um diese neue disruptive Computertechnologie voranzutreiben. Google verfügt über jahrelange Erfahrung in der Entwicklung von Quantencomputern und Quantenalgorithmen, die neben der Quantenmaterialforschung auch am Forschungszentrum Jülich wichtige Forschungsschwerpunkte darstellen.

Die Partnerschaft umfasst gemeinsame Forschung und Expertenausbildung auf den Gebieten der Quantencomputer-Hardware und der Quantenalgorithmen. Letztere ist für das JSC ein wesentlicher Bestandteil der Forschungszusammenarbeit. Forscher von Google und der Forschungsgruppe Quanteninformationsverarbeitung von Prof. Kristel Michielsen werden am JSC bei der Durchführung von Simulationen auf Supercomputern und beim Experimentieren mit Googles Quantenprozessoren zu Benchmarkingzwecken zusammenarbeiten. Für diese Forschung wird der in internationaler Zusammenarbeit entwickelte Jülicher Universal-Quantencomputer-Simulator (JUQCS) eingesetzt, der 2018 den Weltrekord für die Simulation von gate-basierten Quantencomputern mit 48 Qubits aufgestellt hat. Die Zusammenarbeit hat bereits begonnen. Für die Containerisierung von JUQCS erhielt Kristel Michielsen 2018 einen Google Faculty Research Award.

Beitrag zu Googles Demonstration der Quantenüberlegenheit

Die Zusammenarbeit mit Google trägt bereits Früchte: Im Oktober erreichten Google und Mitarbeiter, darunter das Forschungszentrum Jülich, einen Meilenstein im Quantencomputing, der als Quantenüberlegenheit bezeichnet wird, wie die Forscher in der renommierten Zeitschrift "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-019-1666-5) behaupten. Der Begriff markiert den Moment, in dem ein Quantencomputer erstmals in einer bestimmten Aufgabenstellung den modernsten konventionellen Computern überlegen ist. Während der Google-Quantenprozessor etwa 200 Sekunden benötigt, würden die schnellsten Supercomputer der Welt etwa 10.000 Jahre benötigen, um die entsprechende Aufgabe zu erfüllen. Forscher aus der Gruppe von Kristel Michielsen beteiligten sich an der Verifikation und dem Benchmarking des Quantenprozessors mit Simulationen auf dem Jülicher Supercomputer JUWELS.

Ansprechpartner: Prof. Kristel Michielsen, k.michielsen@fz-juelich.de; Prof. Thomas Lippert, th.lippert@fz-juelich.de

aus JSC News No. 268, 11. Dezember 2019