Einstiegshürden werden niedriger gesetzt Quantencomputer in der Wolke

Autor / Redakteur: Anna Kobylinska und Filipe Pereira Martins* / Elke Witmer-Goßner

Quantenchips bewähren sich zunehmend in einer Vielzahl praxisnaher Anwendungen, doch die Kosten sind prohibitiv und so mussten die meisten Unternehmen bisher außen vor bleiben. Können Cloud-Dienste Abhilfe schaffen und die Quantenrevolution demokratisieren?

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Quantencomputing ist (noch) zu teuer, um es selbst zu machen. Warum also nicht die Superrechner anderer für eigene Projekte als Dienst nutzen?
Quantencomputing ist (noch) zu teuer, um es selbst zu machen. Warum also nicht die Superrechner anderer für eigene Projekte als Dienst nutzen?
(Bild: ©DP - stock.adobe.com)

Quantencomputer sind wahre Technikwunder mit handfesten Nutzungsszenarien. Von der Molekularforschung über Simulationen von Finanzmärkten bis hin zur Verkehrsoptimierung konnten Quantenchips ihren Vorteil – wenn nichtgleich ihre Überlegenheit – gegenüber klassischen Supercomputern nachweisen und jegliche Zweifel ausräumen.

Die Forschungsorganisation Fraunhofer Gesellschaft erhielt vor einigen Wochen eine Lieferung der besonderen Art aus Übersee: Europas leistungsstärksten Quantencomputer, das IBM Quantum System One, Exemplar Nummer Zwei. In der Abbildung: IBM Quantum System One Ehningen der Fraunhofer Gesellschaft. Der Quantenchip Nummer Eins steht im New Yorker Rechenzentrum von IBM.
Die Forschungsorganisation Fraunhofer Gesellschaft erhielt vor einigen Wochen eine Lieferung der besonderen Art aus Übersee: Europas leistungsstärksten Quantencomputer, das IBM Quantum System One, Exemplar Nummer Zwei. In der Abbildung: IBM Quantum System One Ehningen der Fraunhofer Gesellschaft. Der Quantenchip Nummer Eins steht im New Yorker Rechenzentrum von IBM.
(Bild: IBM)

Den praktischen Nutzwert eines Quantenchips schmälert bisher die astronomische Fehlerrate von Quantenchips im Vergleich zu klassischen Rechnern. Daher läuft das Rennen um die besten Quantencomputer und -Dienste derzeit eben darauf hinaus, die Fehlerrate der Quantenchips in den Griff zu bekommen.

Gerade jetzt Mitte Juli 2021 konnte IBM seinen Quantenchips einen Vorteil gegenüber konventionellen Computern beim Maschinellen Lernen nachweisen und hat die Erkenntnisse im renommierten Magazin Nature dargelegt („A rigorous and robust quantum speed-up in supervised machine learning“, Yunchao Liu, Srinivasan Arunachalam & Kristan Temme vom 12. Juli 2021). Quantencomputer hinkten im maschinellen Lernen klassischen Chips bisher etwas hinterher. Wenn sie aber klassische Computer bei einer Untermenge der Aufgaben ergänzen, können sie offenbar einen wahren „Quantensprung“ an Leistung vollbringen: Quantenchips in IBMs neuesten ML-Experimenten konnten in synthetischen Datensätzen auch dann Datenmuster erkennen, wenn klassische Computer versagten. Für eben solche hybriden ML-Lösungen könnten in Zukunft Cloud-Dienste zum Einsatz kommen.

Das halsbrecherische Innovationstempo in Quantencomputing kommt den Cloud-Diensten übrigens laufend zugute. So möchte IBM etwa bei der bevorstehenden Umstellung auf eine neue Quantenchip-Topologie, eine Struktur namens Heavy-Hex-Lattice (auf Deutsch: das „schwere Hex[agonale]-Gitter“), alle aktiven Quantencomputer zum 8. August 2021 umrüsten. Die Heavy-Hex-Lattice soll eine robuste Fehlerkorrektur erlauben und die Performance der Quantenchips wesentlich verbessern.

Auf in die Quanten-Cloud!

Als IBM vor rund fünf Jahren einen noch relativ schwachen Quantencomputer mit 5 Qubits in die Cloud stellte und die Programmierschnittstelle als einen Dienst offenlegte, gab es noch nichts Greifbares an verwertbarer Leistung zu sehen. Der Dienst war kostenfrei und ein reines Kuriosum. Heute können Unternehmen mit Quantencomputing konkrete Probleme lösen – und zwar weitaus schneller als mit klassischen Systemarchitekturen.

Pat Gumann, Manager of Quantum Processor & System Integration bei IBM Quantum, justiert den Boden eines „Superkühlschranks“, des größten Verdunstungsapparates der Welt.
Pat Gumann, Manager of Quantum Processor & System Integration bei IBM Quantum, justiert den Boden eines „Superkühlschranks“, des größten Verdunstungsapparates der Welt.
(Bild: IBM)

„Bereits das Koffein-Molekül ist so groß, dass es im Wesentlichen kein [klassischer] Computer auf der ganzen Welt jemals wird vollständig simulieren können“, sagt Jerry M. Chow, Direktor bei IBM. „Das Interessante daran ist die Tatsache, dass sich bei der zugrundeliegenden Physik um Quantenphysik eben handelt“, führt er weiter aus. So hätten Quantencomputer bei gewissen Berechnungen einen „angeborenen“ Vorteil.

Doch der Betrieb eines Quantencomputers mit den zugehörigen Unterstützungssystemen ist ein kompliziertes und kostspieliges Unterfangen. So ein D-Wave-Quanten-Annealer arbeitet bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt in einem mit Helium gefüllten „trocknen“ Verdünnungskühler (das Helium verdunstet und re-kondensiert in einem geschlossenen Kreislauf). Auch der neue GoldenEye-Kühler von IBM ist auf eine ähnliche Temperatur ausgelegt, kälter als der Weltraum.

Unternehmen wie Volkswagen haben eigene Quantencomputer angeschafft, aber der Betrieb eines solchen Systems ist nur für eine Handvoll von Großkonzernen eine gangbare Option. Die anderen können zumindest aber auf Quantenchips in der Cloud zurückgreifen. Erst mit Cloud-Diensten – also Quantencomputing-as-a-Service – kommen auch kleinere Unternehmen in den Genuss bisher noch exotischer Quantenchips und ihrer enormen Rechenleitung. Der globale Markt für Quantensysteme dürfte laut eines Berichts von Research&Markets bald 22 Milliarden US-Dollar erreichen. Es herrscht also Goldgräberstimmung.

D-Wave Leap-Cloud mit dem Quantenchip Advantage

D-Wave macht den Quantencomputer Advantage System als einen bezahlten Cloud-Dienst verfügbar.
D-Wave macht den Quantencomputer Advantage System als einen bezahlten Cloud-Dienst verfügbar.
(Bild: D-Wave)

D-Wave Systems, ein Pionier des Quantencomputings, gewährt Entwicklern Zugang zu einem cloud-basierten Quanten-Annealer, dem D-Wave Advantage, über einen Dienst namens Leap. In akademischen Kreisen geht es aber heiß her in der Debatte, ob sich Quanten-Annealing überhaupt als Quantencomputing qualifiziert. Denn Quanten-Annealing eignet sich mangels universeller Logikgatter nur für eine ganz bestimmte Untermenge von Optimierungsaufgaben und Simulationen. Einem Quanten-Annealer liegt anstelle von Logikgattern ein probabilistisches Modell einer Energielandschaft zugrunde.

Mit dem Cloud-Service von D-Wave können Entwickler ihre Algorithmen auf einem sogenannten Quanten-Annealer mit 5.000 Qubits in Echtzeit testen und ausprobieren. Jeder der Qubits kann sich mit 15 anderen Qubits verbinden. Das System ist 30x schneller als sein Vorgänger.

Im Rahmen von Leap können Entwickler auch eine Funktion namens Hybrid Solver Service (HSS) nutzen. Dieser Dienst kombiniert Quanten- und klassische Ressourcen zur Lösung von Berechnungsproblemen mit bis zu 1 Million Variablen gleichzeitig.

IBM Q Experience in IBM Quantum Services via IBM Cloud

In der IBM-Cloud unter quantum-computing.ibm.com bietet Big Blue Zugang zu einigen der fortschrittlichsten Quantencomputern auf dem Markt, um Entwicklern die Möglichkeit zu geben, mit Quantenalgorithmen zu experimentieren. Den Nutzern von IBMs Cloud steht ein quelloffenes SDK namens Qiskit für OpenQASM (eine imperative Programmiersprache zur Beschreibung von Quantenschaltungen) und der Quantenchip IBM Q zur Verfügung. Mit Tools wie dem IBM Quantum Composer können Cloud-Nutzer eigene Schaltkreise per Drag-und-Drop bauen. Mit Quantum Lab bietet IBM eine webbasierte Entwicklungsumgebung zum Entwerfen von quantenmechanischen Schaltkreisen unter Verwendung der Qiskit-Bibliothek in einer Programmiersprache wie Python.

Im Rahmen des IBM Quantum Network (Q Network) erhalten IBMs strategische Forschungspartner Zugang zu den modernsten Quantencomputersystemen und Entwicklungstools von IBM für die Zusammenarbeit an industriellen Anwendungen. Daimler hat zum Beispiel im Rahmen des Q Network Lithium-Schwefel-Akkus für Elektrofahrzeuge modelliert. Zu den Mitgliedern von IBMs Quantum Network zählen neben Daimler unter anderem die Fraunhofer-Gesellschaft, die Universität der Bundeswehr München, Oak Ridge National Laboratory und das MIT.

Beispielimplementierung des Grover-Algorithmus auf IBM Q.
Beispielimplementierung des Grover-Algorithmus auf IBM Q.
(Bild: Autoren)

Die Fraunhofer-Gesellschaft und IBM haben am 15. Juni 2021 mit dem Quantum Opening Event den erfolgreichen Start ihrer vierjährigen Quantenkooperation mit einer 90-minütigen Hybrid-Veranstaltung gefeiert. Zu den Rednern zählten Bundeskanzlerin Angela Merkel, Arvind Krishna, Chairman und Chief Executive Officer von IBM und Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft. Die technische Grundlage der Zusammenarbeit bildet Quantum System One von IBM, das erste System seiner Art außerhalb der USA und der leistungsfähigste kommerzielle Quantencomputer Europas. Der Quantencomputer trumpft mit uneingeschränkter europäischen Datenlokalität.

Simulation mit Amazon AWS Braket

Amazon Braket ist ein vollständig verwalteter AWS-Dienst, der Anwendern Quanten-Chips verschiedener Hersteller im Cloud-Bezahlmodell zur Verfügung stellt. Derzeit sind hier D-Wave, IonQ und Rigetti vertreten. Amazon Braket stellt den Anwendern eine Entwicklungsumgebung zur Verfügung, mit der sie Quantenalgorithmen entwerfen und in konkreten Anwendungsszenarien erforschen können. Benutzer entwickeln ihre Quantenalgorithmen erst einmal kostengünstig auf klassischen Systemen, die Quantencomputer lediglich simulieren. Sobald die Quantenalgorithmen zuverlässig funktionieren, lassen sich diese in der Cloud auch auf echten Quantenprozessoren ausführen.

Cloud-Nutzer bezahlen nur für die Rechenressourcen, die sie tatsächlich verwenden. Amazon Braket adressiert Forscher und Software-Entwickler. Die Quantenchips sollen sowohl die Grundlagenforschung als auch angewandte Forschung beschleunigen können.

Quantenalgorithmen ausführen mit Microsoft Azure Quantum

Mit Azure Quantum bietet Microsoft eine Möglichkeit zum Ausführen von Quantenalgorithmen auf echten Quantenchips in der Azure-Cloud. Der Dienst ist seit Februar 2021 allgemein zugänglich und lässt sich mit dem quelloffenen Quantum Development Kit für Q# und Azure Quantum programmieren. Es soll den Anwendern ermöglichen, langlebige Quantenanwendungen für aktuelle Quantenhardware wie auch für künftige Quantenchips zu entwickeln.

Das Ökosystem von Azure Quantum umfasst Systeme mit Quantenchips von Honeywell, 1QBit, Toshiba, IonQ und Quantum Circuits neben Microsofts hauseigenen QIO-Lösungen (kurz für Quantum Impact Optimizations). Bei den Letzteren handelt es sich um Quanten-ähnliche Algorithmen zur Ausführung auf klassischer CMOS-Hardware. Eine einzige einheitliche Softwareplattform, das quelloffene Quantum Development Kit (QDK) for Q#, Microsofts hauseigene Sprache höherer Ebene für Quantencomputer, und den Cloud-Dienst Azure Quantum, bringt all die unterschiedlichen Quantensysteme unter einen Hut.

Als einen der ersten Nutzer von Azure Quantum konnte Microsoft den Autohersteller Ford gewinnen. Die beiden Unternehmen hatten einen Quantencomputer in der Azure-Cloud in einem frühen Pilotprojekt auf die Probefahrt genommen, um die Verkehrsüberlastung einer Metropole in der Hauptverkehrszeit zu optimieren.

Rechenzeit buchen mit Honeywell Quantum Solutions H0/H1-Cloud

Erstmals im vergangenen Oktober begann Honeywell, Rechenzeit seiner Quantencomputer H0 und H1 als einen Dienst feilzubieten. Für das Unternehmen fungiert das Projekt als eine Engine der Lead-Generierung: Im Endeffekt möchte Honeywell die Hardware unter den Hammer – und damit an den Mann und die Frau in der Industrie – bringen. So kommen hoffentlich neue Anwender auf den Geschmack der rekordverdächtigen Quantenleistung seiner 64 verschränkten Qubits.

Denn Honeywells System Model H1 hat innerhalb von nur einem Jahr die Performance seines Vorgängers um das 16-fache gesteigert und zudem als erster Quantencomputer das Quantum Volume 1024 erreicht. Dabei ist von einer architekturagnostischen Leistungsmetrik die Rede, mit der sich die Gesamtkapazität eines Quantensystems beschreiben lässt. Diese Kennzahl hatten ursprünglich IBMs Forscher konzipiert, nur um die Krone an den Rivalen Honeywell abzugeben.

Als Honeywell das System Model H1 im September 2020 vorstellte, brachte es dieses gerade einmal auf ein Quantenvolume von 128 (eine Metrik ohne eine definierte Einheit). Bis März dieses Jahres konnte Honeywell die Leistung auf 512 vervierfachen und dann im Juli 2021 noch einmal verdoppeln. Mit dem Quantum Volume von 1024 stellte Honeywell einen neuen Rekord auf und kann sich jetzt in der eigenen privaten Quantum-Cloud damit brüsten. Die Preise für die Leistung liegen ganz im Ermessen von Honeywell.

Rigetti Quantum Cloud Services (QCS)

Ein Quantencomputer von Rigetti.
Ein Quantencomputer von Rigetti.
(Bild: Rigetti)

Mit Quantum Cloud Services (QCS) bietet nicht zuletzt auch Rigetti eine eigene Cloud-Plattform für Quantencomputing. QCS integriert Rigettis QPU (Quantum Processing Unit) mit klassischer Hardware, um die Ausführung von Quantenalgorithmen mit Rigettis Forest SDK zu ermöglichen. Beim Forest SDK handelt es sich um eine Reihe von Software-Tools, die es Entwicklern ermöglichen, Quantenanwendungen in Quil zu schreiben und diese mit QCS oder in einem QVM-Simulator (Quantum Virtual Machine) zu kompilieren und auszuführen.

Googles Quantum Engine und Quantum Playground

Google taufte seine Quantum-Cloud auf den Namen Quantum Engine. Mit einem Dienst namens Quantum AI bietet Google ausgewählten Organisationen die Möglichkeit, in Leitung eines Quantencomputers als einen Dienst in Anspruch zu nehmen. Beim Googles Quantum Computing Playground handelt es sich nicht um einen Quantencomputer, sondern um einen browserbasierten Quantensimulator in WebGL. Quantum Computing Playground kann Quantenregister mit bis zu 22 Qubits simulieren, Grover- und Shor-Algorithmen ausführen und hat zudem eine Vielzahl von Quantengattern in die Skriptsprache selbst integriert.

Der Quantum Computing Service von Google nutzt ein quelloffenes Python-Framework namens Cirq. Der Zugang zu dem Dienst bleibt bisher ausgewählten Organisationen vorbehalten. Googles Quantum Playground steht allen Cloud-Nutzern offen.

Fazit

Die Anschaffungs- und Betriebskosten von Quantencomputern sind für viele Unternehmen immer noch zu hoch. Doch das rasante Aufkommen von Quantencomputing-Diensten in der Cloud ändert die Marktdynamik und „demokratisiert“ den Zugang zur Quanten-Leistung. Plötzlich kommen Unternehmen in den Genuss des so begehrten „Quantensprungs“ ohne die Last hoher Vorabinvestitionen, schlicht und ergreifend im Pay-as-You-Go-Verfahren.

Noch handelt es sich bei den Cloud-Diensten um eine experimentelle Bereitstellung von Quantenchips „as-a-Service“. Es ist jedoch bereits klar: Die Quantenvorherrschaft kommt für den Mittelstand eben aus der Wolke wie aus heiterem Himmel.

* Das Autorenduo Anna Kobylinska und Filipe Pereira Martins arbeitet für McKinley Denali Inc. (USA).

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