Zwei Quantensimulatoren für HPCQS

Als Quantensimulation bezeichnet man die Erforschung von Quantensystemen, die sich unter Laborbedingungen nicht untersuchen und mit Hilfe von Supercomputern nicht simulieren lassen. Ein Quantensimulator ist selbst eine Art Quantencomputer – allerdings weniger flexibel als ein universell programmierbarer Quantencomputer und nur für bestimmte Probleme geeignet. Das bekannte, kontrollierbare System eines Quantensimulators wird dazu genutzt, ein anderes, meist komplexeres Quantensystem nachzuahmen. Copyright: PASQAL

Das Forschungszentrum Jülich, Mitglied im Helmholtz-Forschungsbereich Information, und GENCI starten HPCQS, eine europäische Plattform für hybrides Hochleistungsrechnen und Quantencomputing, mit zwei 100-Qubits-Quantensimulatoren von PASQAL. (Quelle: Forschungszentrum Jülich – Pressemitteilungen)

HPCQS („High-Performance Computer and Quantum Simulator hybrid“) ist ein vierjähriges Pilotprojekt zur Entwicklung, Einrichtung und Koordinierung einer Cloud-basierten europäischen Infrastruktur. Das im Dezember 2021 gestartete Projekt wird vom Jülich Supercomputing Centre (JSC) koordiniert. Es wird unterstützt durch das EuroHPC JU (European High-Performance Computing Joint Undertaking) und sechs europäische Länder: Deutschland, Frankreich, Irland, Italien, Österreich und Spanien.

In der ersten Phase vom HPCQS sollen zwei Quantensimulatoren mit jeweils mehr als 100 Qubits in zwei Höchstleistungsrechner-Infrastrukturen eingebunden werden: in den von GENCI finanzierten Hochleistungsrechner JOLIOT CURIE am südlich von Paris gelegenen Supercomputing-Zentrum CEA/TGCC und in den modularen Supercomputer JUWELS am JSC in Jülich. Die enge Integration von Quantenhardware in klassische Rechnerarchitekturen – und damit die Bildung eines Hybridsystems – ist ein wesentlicher Meilenstein, um die Leistung von Quantencomputern für erste praktische Anwendungen zu nutzen. Darüber hinaus wird HPCQS eine umfassende und hardwareunabhängige Programmierumgebung für Endnutzer entwickeln und bereitstellen, für Quantencomputer und hybride Anwendungen.

Um diese Ziele zu erreichen, haben GENCI und das Forschungszentrum Jülich – mit Unterstützung von EuroHPC JU – zwischen Dezember 2021 und Mai 2022 ein gemeinsames Verfahren auf der Grundlage eines PPI (Public Procurement of Innovative Solutions) gestartet, um zwei Quantensimulatoren zu erwerben, die mindestens 100 Qubits steuern können. Die Wahl fiel auf den analogen Fresnel-Quantensimulator von PASQAL, einem französischen Start-up-Unternehmen. Fresnel-Systeme basieren auf der Technologie kalter neutraler Atome (Rubidium), die in 2D/3D-Arrays angeordnet sind. Diese werden mithilfe laserbasierter optischer Pinzetten angeregt, um sogenannte Rydberg-Zustände zu erreichen.

Die zwei Quantensimulatoren werden jeweils mit einem der beiden Höchstleistungsrechner in Frankreich und Jülich gekoppelt und dienen als Quantenbeschleuniger für spezifische Aufgaben: Optimierung, Quantenchemie und maschinelles Lernen. Die beiden Fresnel-Quantensimulatoren werden in der zweiten Hälfte des Jahres 2023 bei CEA/TGCC und JSC installiert.

In der Zwischenzeit wird PASQAL Fernzugriff auf das hauseigene Fresnel-System gewähren, um die HPCQS-Aktivitäten im Hinblick auf die Einführung eines vollständigen hybriden Software-Stacks voranzutreiben. Dazu gehören Cloud-Zugang, Ressourcenmanagement für hybride Arbeitslasten, Tools und Bibliotheken, einschließlich Benchmarking und Zertifizierung und Leistungsanalyse.

Die Nutzer können so Prototypenanwendungen für maschinelles Lernen und wissenschaftliche Simulationen mitgestalten, mit Algorithmen wie VQE (Variational Quantum Eigensolver) und QAOA (Quantum Approximate Optimisation Algorithm).

„HPCQS ist die ideale Fortsetzung der Pläne und Aktivitäten zum hybriden Quanten-HPC-Computing, die wir in Deutschland mit JUNIQ begonnen haben – auf europäischer Ebene gemeinsam mit unseren exzellenten Partnern. Mit HPCQS sind wir weltweit die Ersten, die die enge Integration von HPC und Quantencomputing auf der Basis von modularem Supercomputing realisieren und Europa mit dieser innovativen Technologie an die Spitze der Forschung bringen“, sagt Prof. Thomas Lippert, Leiter des Jülich Supercomputing Centre (JSC) und Sprecher von Programm 1: „Engineering Digital Futures“ des Helmholtz-Forschungsbereichs Information.

Zu HPCQS:

HPCQS ist eine offene und evolutionäre Infrastruktur, die in Zukunft durch die Einbeziehung einer Vielzahl von Quantencomputerplattformen auf verschiedenen technologischen Bereitschaftsstufen und durch die Integration anderer europäischer Quantenknoten erweitert werden soll. Die HPCQS-Infrastruktur stellt nach der Jülicher UNified Infrastructure for Quantum computing (JUNIQ) einen zweiten Schritt in Richtung einer europäischen Infrastruktur für Quantencomputer und -simulation (EuroQCS) dar, wie sie in der strategischen Forschungsagenda des Europäischen Quantenflaggschiffs befürwortet wird.

Die Original-Pressemitteilung finden Sie unter: 

Zwei Quantensimulatoren für HPCQS

Verortung im Helmholtz-Forschungsbereich Information:

Helmholtz-Forschungsbereich Information, Programm 1: Engineering Digital Futures, Topic 1: Enabling Computational- & Data-Intensive Science and Engineering

Kontakt:

Prof. Dr. Kristel Michielsen
Leiterin der Gruppe „Quantum Information Processing“ am JSC
Tel.: +49 2461/61-2524
E-Mail: k.michielsen@fz-juelich.de

Kontakt für diese Pressemitteilung:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
Forschungszentrum Jülich
Tel.: +49 2461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de