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Titelthema
Maschinenpark JUNIQ
In Jülich entsteht ein Eldorado für alle, die Quantencomputer nutzen wollen. Erste Systeme sind bereits verfügbar.
Quantencomputer gelten als Rechner der Zukunft. Bis dahin ist es noch ein weiter Weg, aber erste experimentelle Systeme, Prototypen und kommerzielle Geräte können schon heute genutzt werden. JUNIQ, kurz für „JUelicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputing“, verschafft Wissenschaft und Wirtschaft den Zugang zu verschiedenen dieser Quantenmaschinen. Einige Systeme stehen direkt in Jülich, andere befinden sich in Partnereinrichtungen. Teil dieser Infrastruktur sind auch die Jülicher Supercomputer, die hier mit Quantensystemen verknüpft werden. JUNIQ unterstützt darüber hinaus Nutzerinnen und Nutzer bei der Entwicklung von Algorithmen und Anwendungen fürs Quantencomputing.
Emulatoren sind Programme, die auf gewöhnlichen Computern laufen und Quantencomputer nachahmen. So lassen sich zum Beispiel schon heute Algorithmen testen, die künftig auf Quantencomputern laufen sollen.
JUQCS – Jülich Universal Quantum Computer Simulator
Zugriff: seit Januar 2022
Standort: Jülich
Qubit-Zahl: 43 (simuliert auf dem Jülicher Superrechner JUWELS)
Besonderheit: JUQCS läuft sowohl auf Laptops als auch auf Supercomputern. Aber nur mit Supercomputern können mehr als 32 Qubits simuliert werden. JUQCS hält hier den Rekord mit 48 Qubits, simuliert auf K (Japan) und Sunway TaihuLight (China).
ATOS Quantum Learning Machine
Zugriff: seit Januar 2022
Standort: Jülich
Qubit-Zahl: 30 (simuliert auf Jülicher ATOS QLM-30)
Besonderheit: Der Emulator läuft auf einer speziellen Hardware-Infrastruktur – etwa in der Größe eines einfachen Business-Servers – mit großer Speicherkapazität. In seiner maximalen Konfiguration kann ein ATOS-QLM bis zu 41 Qubits simulieren.
Ein Quantenannealer nutzt wie andere Quantencomputer die Quantenmechanik, um Berechnungen durchzuführen. Aber Annealer sind nicht universell programmierbar, sondern Spezialisten für das Optimieren von Aufgaben und Prozessen, zum Beispiel um Lieferketten zu vereinfachen oder Verkehrsflüsse zu steuern.
D-Wave Advantage System JUPSI
Zugriff: seit Januar 2022
Art: First Production System
Standort: Jülich
Qubit-Typ: supraleitende Qubits
Qubit-Zahl: max. 5.760
Besonderheit: erster Quantenrechner in Europa mit über 5.000 Qubits. Der Annealer soll in die Jülicher Supercomputer-Infrastruktur integriert werden, um die Fähigkeiten der Systeme zu kombinieren (siehe Europas Nr. 1 hat über 5.000 Qubits).
Ein Quantensimulator ist eine Art abgespeckter Quantencomputer – also auch ein Quantensystem, aber weniger flexibel und nur für bestimmte Probleme geeignet, etwa wenn viele Teilchen miteinander wechselwirken. Im Grunde geht es darum, mit einem bekannten, kontrollierbaren Quantensystem ein anderes, meist komplexeres Quantensystem zu simulieren. Im Laufe des Jahres 2023 soll ein Quantensimulator mit etwa 100 Qubits in Jülich den Betrieb aufnehmen.
Besonderheit: Der Jülicher und ein weiterer Quantensimulator sollen im EU-Projekt „High-Performance Computer and Quantum Simulator hybrid“ (HPCQS) eng mit zwei europäischen Supercomputern – darunter Jülichs Superrechner JUWELS – verbunden werden. Dieses Hybridsystem soll es ermöglichen, die Leistung von Quantencomputern für die ersten praktischen Hybridanwendungen zu nutzen.
Quantencomputer sind sozusagen die Königsklasse und – so die Hoffnung – künftig in der Lage, komplexe Aufgaben zu lösen, an denen heutige Supercomputer scheitern. Fachleute sprechen von „universell programmierbaren Quantencomputern“ – also von Quantencomputern, die jede Berechnung, die von Computern durchführbar ist, ausführen können.
OpenSuperQ
Zugriff: voraussichtlich Ende 2022
Art: experimentelles Quantensystem
Standort: Jülich
Qubit-Typ: supraleitende Qubits
Qubit-Zahl: 6
Besonderheit: Das Projekt OpenSuperQ ist Teil der 2018 gestarteten EU-Forschungsinitiative „Quantum-Flagship“. Ziel ist ein europäischer Quantencomputer mit 50 Qubits.
QSolid
Zugriff: voraussichtlich ab 2024
Art: experimentelles Quantensystem
Standort: Aachen
Qubit-Typ: supraleitende Qubits
Qubit-Zahl: 10
Besonderheit: In dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt QSolid werden seit Anfang 2022 Quantendemonstratoren entwickelt, deren Qubits eine geringe Fehlerquote aufweisen sollen. Bis 2027 sollen 30 Qubits erreicht werden.
DAQC
Zugriff: voraussichtlich ab 2024
Art: experimentelles Quantensystem
Standorte: Jülich und München
Qubit-Typ: supraleitende Qubits
Qubit-Zahl: 54
Besonderheit: In dem Projekt wird ein digital-analoger Quantencomputer (DAQC) aufgebaut, der die Vorteile eines wenig fehleranfälligen analogen Quantenrechners mit der Flexibilität digitaler Schaltkreise kombiniert. Der DAQC soll mit Supercomputern gekoppelt werden und dort die Aufgabe eines Rechenbeschleunigers übernehmen.
QUASAR
Zugriff: voraussichtlich ab 2027
Stand: neues Hardwarekonzept
Standort: Aachen oder Jülich
Qubit-Typ: spinbasierte Qubits (Halbleiter-Qubits)
Qubit-Zahl: 25 (bis 2027)
Besonderheit: In dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt QUASAR wird an einem Halbleiter-Quantenprozessor „made in Germany“ gearbeitet. In einem voraussichtlichen Nachfolgeprojekt soll ein System mit 25 Qubits entstehen.
Illustrationen: Andrzej Koston