IBM hat eine Referenzarchitektur für quantenzentriertes Supercomputing vorgestellt. Sie soll als neue Blaupause für die Integration von Quantencomputing in moderne Supercomputing-Umgebungen dienen. Die Architektur zeigt auf, wie Quantenprozessoren (QPUs) gemeinsam mit GPUs und CPUs – über On-Premises-Systeme, Forschungszentren und die Cloud hinweg – eingesetzt werden können, um wissenschaftliche Herausforderungen bewältigen, für die kein Ansatz für sich allein eine Lösung bieten könne.
Die Architektur wurde den Angaben zufolge für heutige Workloads konzipiert und ist darauf ausgelegt, sich im Laufe der Zeit weiterzuentwickeln. Sie soll Quanten- und klassische Systeme in einer einheitlichen Computing-Umgebung vereinen. Dafür kombiniert sie Quantenhardware mit klassischer Infrastruktur, darunter CPU- und GPU-Cluster, Hochgeschwindigkeitsnetzwerke und gemeinsam genutzte Speicher, um rechenintensive Workloads und die Algorithmenforschung zu unterstützen.
Darauf aufbauend soll der Ansatz von IBM koordinierte Workflows ermöglichen, die Quanten- und klassisches Computing miteinander verbinden. Integrierte Orchestrierung und offene Software-Frameworks, darunter Qiskit, sollen es Entwicklern sowie Wissenschaftlern erlauben, über vertraute Tools und Workflows auf Quantenfunktionen zuzugreifen. Dadurch werde es einfacher, Quantencomputing auf Problemstellungen in Bereichen wie Chemie, Materialwissenschaften und Optimierung anzuwenden.
"Vor mehr als vier Jahrzehnten stellte sich Richard Feynman Computer vor, die Quantenphysik simulieren können", sagte Jay Gambetta, Director of IBM Research und IBM Fellow. "Bei IBM haben wir viele Jahre daran gearbeitet, diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen. Die heutigen Quantenprozessoren beginnen, die schwierigsten Teile wissenschaftlicher Probleme zu bearbeiten – jene, die in der Chemie durch Quantenmechanik bestimmt sind. Die Zukunft liegt im quantenzentrierten Supercomputing, bei dem Quantenprozessoren zusammen mit klassischem Hochleistungsrechnen eingesetzt werden, um Probleme zu lösen, die bislang unerreichbar waren."
Jüngste Ergebnisse belegen, dass Quantencomputer in Kombination mit klassischen Computing-Workflows wissenschaftliche Entdeckungen beschleunigen können:
-- Forschende von IBM, der University of Manchester, der University of Oxford, der ETH Zürich, der EPFL und der Universität Regensburg haben erstmals ein Halb-Möbius-Molekül erzeugt und dessen ungewöhnliche elektronische Struktur mithilfe eines quantenzentrierten Supercomputers verifiziert. Die Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht.
-- Die Cleveland Clinic simulierte ein 303-Atom-Tryptophan-Cage-Mini-Protein, eines der bislang grössten molekularen Modelle, die auf einem quantenzentrierten Supercomputer berechnet wurden.
-- Ein Team von IBM, Riken und der University of Chicago ermittelte den niedrigsten Energiezustand konstruierter Quantensysteme und übertraf damit die bisher führenden der rein klassischen Ansätze.
-- Wissenschaftler von Riken und IBM realisierten eine der bislang grössten Quantensimulationen von Eisen-Schwefel-Clustern, einem grundlegenden Molekül in Biologie und Chemie. Möglich wurde dies durch den kontinuierlichen Datenaustausch zwischen einem lokal installierten IBM Quantum Heron-Prozessor und allen 152.064 klassischen Rechenknoten des Fugaku-Supercomputers von Riken.
-- Algorithmiq, das Trinity College Dublin und IBM veröffentlichten in Nature Physics Methoden zur präzisen Simulation von Vielteilchen-Quantendynamik-Systemen, etwa Atom- und Elektronensammlungen, unter Nutzung klassischer Rechenressourcen zur Rauschunterdrückung.
IBM und das Rensselaer Polytechnic Institute verbessern beispielsweise auch, wie die nahtlose Planung und Orchestrierung von Workflows über Quanten- und Hochleistungsrechenressourcen hinweg erfolgen kann. Die Bereitstellung neuer Algorithmen auf dieser zunehmend ausgereiften Architektur werde die nächste Generation von Anwendungen in Chemie, Materialwissenschaften, Optimierung und darüber hinaus hervorbringen und sie in die Lage versetzen, exponentiell zu skalieren, verspricht IBM Research.
