Ist es möglich, einen Quantenvorteil zu erzielen, ohne ein Quantengerät zu verwenden? Ein Schweizer Start-up-Unternehmen, Terra Quantum, sagt, dass dies nicht nur möglich ist, sondern dass es ein Kernbestandteil seines Geschäftsmodells ist, das clevere Software und Arbeitsabläufe nutzt, um Qubits auf klassischen HPC-Ressourcen zu simulieren. Die Strategie von Terra Quantum geht weit über die Verwendung simulierter Qubits in Anwendungen hinaus. So forscht das Unternehmen beispielsweise an der supraleitenden Hardware-Qubit-Technologie, und das dazugehörige Unternehmen QMware sieht ein wenig wie AWS Braket Braket aus, das Zugang zu einem selbst entwickelten Simulator und zu QPUs von Drittanbietern bietet.

Markus Pflitsch ist Gründer und Geschäftsführer sowohl von Terra Quantum als auch von QMware, und auf den ersten Blick kann das Arrangement verwirrend erscheinen. QMware ist ein Gemeinschaftsunternehmen von Terra Quantum und einem klassischen HPC-Ressourcenanbieter, Novarion Systems.

Terra Quantum wurde 2019 gegründet und ist ein Quanten-as-a-Service-Unternehmen, das in drei Geschäftsbereiche unterteilt ist: Algorithmus, Compute und Sicherheit. Wir sind ein Full-Stack-Unternehmen für Software und Hardware. Auf der Hardware-Seite arbeiten wir an einer neuartigen QPU-Technologie, die auf supraleitenden Qubits basiert. Es ist ein neuartiger Ansatz [based on the] Expertise von Valerii Vinokur Valerii Vinokur [who] ist unser CTO mit Sitz in Chicago [and long-time researcher] mit dem Argonne National Lab,“ erklärt Pflitsch. „Aber von der 30.000-Fuß-Ebene aus betrachtet, sind wir ein Hardware-agnostisches Software-Unternehmen. Wir sind sehr stark in der Entwicklung von Algorithmen für Optimierung, Simulation und maschinelles Lernen. Wir lassen unsere Software laufen und probieren sie auf jedem verfügbaren Quantengerät aus, zu dem wir Zugang haben [whether], sei es eine native QPU oder ein Simulator.“

Die Unzulänglichkeiten der heutigen Noisy-Intermediate-Scale-Quantum-Systeme (NISQ), so Pflitsch, waren der Grund für die Entwicklung von QMware im Jahr 2020. „Die heutige Quanten-Hardware ist nicht wirklich in der Lage, sinnvolle Probleme zu lösen, oder? NISQ-Geräte haben zu viele Fehler. Wie sollten wir also diesen NISQ-Engpass überwinden, um unsere Quantensoftware einzusetzen? Die Lösung war [use of] simulierte Qubits auf HPC. Wir haben dafür ein Joint Venture gegründet, QMware“, sagte er. “ [It’s] ein Cloud-Angebot, in dem wir unsere simulierten Qubits anbieten, aber auch Zugang zu anderen Quantengeräten mit einer Web-Integration oder auch in der physikalischen Integration.“

Trotz seines jungen Alters“, so Pflitsch, „ist Terra Quantum einer der größten globalen Akteure im Bereich der Quantentechnologie. Wir haben mehr als 150 Mitarbeiter [including], mehr als 130 Quantenphysiker und insgesamt mehr als 750 Jahre Erfahrung in der Quantentechnologie. Wir haben bisher fast 100 Millionen Dollar eingeworben. [Terra] ist in Bezug auf seine Investoren sehr europäisch dominiert, wir haben zwei der reichsten deutschen Familien auf dem Kapitaltisch. [We are] ist tief in Europa verwurzelt, aber natürlich ist auch Nordamerika ein wichtiger Markt [too].”

Die Trennung der beiden Unternehmen, so Pflitsch, soll QMware zu einer attraktiven Plattform für andere Quantenunternehmen machen – als Beispiel nannte er Multiverse -, von der aus sie ihre Produkte und Dienstleistungen anbieten können, während Terra sich auf seine IP (Software und Hardware) konzentriert.

Vieles von dem, was Terra-plus-QMware bietet, ist bekannt. Die kommerzielle Quantenlandschaft expandiert schnell mit vielen neuen Marktteilnehmern, von denen einige auf Spezialisierung setzen und andere, wie Terra Quantum, „Full-Stack“-Ansätze in Angriff nehmen. Inmitten der vielen sich überschlagenden Quantenpuzzleteile zeichnet sich ein Konsens darüber ab, dass das endgültige „Quantenprodukt“ wahrscheinlich ein Hybridsystem sein wird, bei dem Teile der Anwendung auf klassischen Systemen ausgeführt und Teile auf Quantengeräten beschleunigt werden.

Ein wichtiger Zwischenschritt in der Entwicklung der Quantenprozessoren war die Entwicklung von Quantensimulatoren (Hardware und Software), die die Fähigkeiten von Quantengeräten (Überlagerung und Verschränkung) nachahmen IBM, Atos und AWS zum Beispiel haben alle Qubit-Simulatoren im Angebot. Während diese Simulatoren im Allgemeinen als Entwicklungswerkzeuge für die Vorbereitung auf den Einsatz echter Quanten-Hardware angesehen werden, gehört der Quantensimulator von Terra/QMware nach eigenen Angaben nicht nur zu den besten verfügbaren Simulatoren, sondern wird heute auch von Kunden eingesetzt, um Quantenvorteile zu erzielen.

 

Um seine Position zu untermauern, hat das Unternehmen kürzlich eine Studieveröffentlicht –Benchmarking simulierter und physischer Quantenverarbeitungseinheiten unter Verwendung von Quanten- und Hybridalgorithmen –, in der die Leistung von QMware- und AWS-Simulatoren sowie die Leistung von QPUs von IonQ, Oxford Quantum Circuits, Rigetti und IBM verglichen wird.

Hier ist die Zusammenfassung:

„Leistungsstarke Hardware-Dienste und Software-Bibliotheken sind unverzichtbare Werkzeuge, um Quantenalgorithmen schnell und kostengünstig zu entwickeln, zu testen und auszuführen. Eine solide, groß angelegte Studie darüber, wie die Leistung dieser Plattformen mit der Anzahl der Qubits skaliert, ist der Schlüssel zur Bereitstellung von Quantenlösungen für anspruchsvolle industrielle Probleme. Eine solche Bewertung ist aufgrund der Verfügbarkeit und des Preises von physischen Quantenverarbeitungseinheiten schwierig. In dieser Arbeit werden die Laufzeit und die Genauigkeit für eine repräsentative Auswahl spezialisierter, hochleistungsfähiger simulierter und physischer Quantenverarbeitungseinheiten getestet.

„Die Ergebnisse zeigen, dass der QMware-Cloud-Computing-Service die Laufzeit für die Ausführung eines Quantenschaltkreises um bis zu 78 % reduzieren kann, verglichen mit der nächstschnelleren Option für Algorithmen mit weniger als 27 Qubits. Der AWS SV1-Simulator bietet einen Laufzeitvorteil für größere Schaltkreise, bis zu den maximal 34 Qubits, die mit SV1 verfügbar sind. Über diese Grenze hinaus bietet QMware die Möglichkeit, Schaltungen mit bis zu 40 Qubits auszuführen. Physikalische Quantengeräte wie der Aspen-M2 von Rigetti können einen exponentiellen Laufzeitvorteil für Schaltungen mit mehr als 30 Qubits bieten. Allerdings stellen die hohen finanziellen Kosten für physische Quantenverarbeitungseinheiten ein ernsthaftes Hindernis für den praktischen Einsatz dar. Außerdem erreicht von den vier getesteten Quantengeräten nur der Harmony von IonQ eine hohe Wiedergabetreue bei mehr als vier Qubits.“

 

Es überrascht nicht, dass die Ergebnisse die Leistung von Terra/QMware zeigen – schließlich wird das eigene Produkt mit dem der Konkurrenz verglichen. Pflitsch bestätigt dies: „Sie haben Recht. Wir halten [Still] für die erste [it’s] Art eines ganzheitlichen, umfassenden Benchmarkings. In Zukunft sollte sie von Dritten überprüft werden, aber wir hielten die Informationen für wichtig. Es gibt der Industrie eine gewisse Orientierung in Bezug auf hybride klassisch-quantische Plattformen“.

In der Pressemitteilung zur Studie erklärte Terra Quantum: „Ziel der Studie war es zu untersuchen, wie die Vorhersagegenauigkeit und die Trainingszeit von Quantenneuronalen Netzen durch die Verwendung eines hybriden quantenklassischen Ansatzes verbessert werden können. Der Benchmark ergab, dass die Kombination aus simulierten Quantenprozessoren und klassischen Hochleistungsrechnern den leistungsfähigsten, kostengünstigsten und robustesten Ansatz bietet.“ (Hervorhebung hinzugefügt)

Am besten ist es, die Studie direkt zu lesen. Der fettgedruckte Abschnitt oben fasst das Wesentliche des aktuellen Angebots der Unternehmen zusammen. Eine ausgeklügelte HPC-Architektur, die beispielsweise Multi-Threading, viel Speicher und neuartige Speicherzugriffstechniken einsetzt, hat es Terra/QMware zusammen mit proprietärer Software ermöglicht, effektive simulierte Qubits zu bauen, sagt das Unternehmen. Kein Quantengerät erforderlich. Das Unternehmen argumentiert, dass die Ausführung von Quantenanwendungen auf seiner Hybridplattform mit simulierten Qubits herkömmliche klassische Methoden und die heutigen QPUs mit geringer Qubit-Zahl übertrifft.

Hier ist ein Auszug aus der Studie: „Der Benchmark zeigt, dass der QMware basiq-Simulator für Schaltungen mit 2 bis 26 Qubits, AWS SV1 für 28-34 Qubits und QMware basiq für 36-40 Qubits im Vorteil ist. Darüber hinaus wurden QPUs von vier verschiedenen Anbietern (IonQ, Ox- ford Quantum Circuits (OQC), IBM und Rigetti) im Hinblick auf Laufzeit, Genauigkeit und Kosten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass QPUs in einem praktischen Anwendungsfall für Schaltungen mit 30 Qubits oder mehr zeitlich wettbewerbsfähig werden könnten. Allerdings schließt die geringe Genauigkeit, die viele dieser Systeme derzeit erreichen, ihre Anwendung auf industrielle Probleme aus.“ Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)

Stellen Sie sich Terra/QMwares derzeitige Idee des hybriden Quantencomputings so vor, dass hybride Anwendungen auf HPC-Hardware ausgeführt werden, wobei Teile der Anwendung wie üblich auf HPC-Systemen ausgeführt werden und andere Teile der Anwendung auf simulierten Qubits, ebenfalls auf klassischer Hardware, laufen. HPC ist der Motor für beides. Die Ergebnisse werden in eine endgültige Lösung integriert. Der aktuelle Simulator von Terra/QMware kann nach Angaben des Unternehmens 40 Qubits verarbeiten.

Laut Florian Neukart, Chief Product Officer von Terra, handelt es sich dabei nicht um quanteninspirierte Algorithmen, die auf einem klassischen System ausgeführt werden. „Quanteninspirierte Algorithmen können natürlich auch einige Vorteile bieten. Aber das ist nicht die Art von Algorithmen, die wir meinen, wenn wir von hybriden Algorithmen sprechen. Quanteninspirierte Algorithmen nehmen ein Paradigma aus der Quanteninformatik oder der Quantenphysik im Allgemeinen, z. B. das Superpositionsprinzip, und bringen es in einen klassischen Algorithmus ein, z. B. das simulierte Glühen, und versuchen, eine parallele Temperierungdurchzuführen“, so Neukart.

„Unsere Algorithmen sind echte hybride Quantenalgorithmen. Obwohl die QPU simuliert wird, ist es so, als wäre sie ein echtes Qubit, und deshalb ist eine enorme Menge an Hardware erforderlich, bis zu 12 Terabyte RAM, um 40 Qubits zu simulieren. Dies ist ein echtes Quantensystem in dem Sinne, dass es alles kann, was auch ein 40-Qubit-Quantenchip könnte, ein fehlerbereinigter 40-Qubit-Quantenchip. Das ist hier der Unterschied“, sagte Neukart. „Es ist sehr schwer, von 40 auf 41 Qubits zu kommen. Wir haben einen Fahrplan, sogar bis zu 42, aber da man exponentiell mehr Rechenleistung benötigt, um alle Quanteneffekte zu simulieren, ist es schwer zu machen“.

Pflitsch argumentiert, dass die hybride Plattform, die simulierte Qubits nutzt, den Kunden jetzt einen Quantenvorteil bietet.

„Eine wichtige strategische Botschaft ist, dass das hybride Quantencomputing heute einen Teil des Quantenpotenzials freisetzen kann. Wir beschäftigen uns mit unseren Kunden nicht nur mit Spielzeugproblemen und bereiten sie mit den Simulatoren auf die Zukunft vor, sondern wir erschließen ihnen mit diesem Ansatz erhebliche wirtschaftliche Vorteile, so Pflitsch.

Er nannte das Beispiel einer Investmentbank, mit der Terra zusammenarbeitet und die ein Sicherheitenportfolio von 400 Milliarden Euro besitzt.

„Es handelt sich um eine geschäftskritische Optimierung im Investmentbanking. Unter Verwendung von Daten für das Portfolio haben wir den von uns entwickelten Quantenalgorithmus auf unserer Maschine eingesetzt und sind in der Lage, sechs Pips (Preis-in-Punkt oder prozentualer Zinspunkt) Vorteil bei voller Implementierung zu erhalten. Sechs Pips in Bezug auf das Portfolio bedeuten mehr als 200 Millionen jährlich wiederkehrende Kosteneinsparungen. In Zukunft werden es 60 Pips sein, wenn ich es auf eine bessere, native QPU setze, aber warum auf die 60 warten, wenn wir heute die sechs Pips bekommen können. Das ist es, worauf wir uns konzentrieren [and], es ist auch ein bisschen der Terra Quantum USP (unique selling proposition). Wir arbeiten mit unseren Kunden zusammen, [obtain] um mit Hilfe von Quanten-Hybrid-Quantencomputing erhebliche geschäftliche Verbesserungen zu erzielen“, sagte Pflitsch, der einige andere Unternehmen nannte, mit denen Terra zusammengearbeitet hat, darunter Volkswagen (Auto) und Uniper (Energie).

Langfristig verfolgt Terra/QMware ehrgeizige Ziele. Pflitsch sagte wenig über die Forschung des Unternehmens an supraleitenden Qubits, aber Neukart gab eine umfassendere Beschreibung der gesamten Plattform und ihrer laufenden Integration mit bestehenden QPUs.

Derzeit ähnelt die QMware-Plattform im Großen und Ganzen anderen hybriden Cloud-basierten Ansätzen, allerdings mit einer tieferen Integration, so Neukart. „Entweder man unterwirft einen Teil des Problems der klassischen Hardware oder der Quanten-Hardware, aber man wird immer auf das beschränkt sein, was eine dieser beiden Möglichkeiten leisten kann. Darin unterscheiden wir uns. In diesem Sinne haben wir eine Integration, die im einfachsten Fall als Webdienstintegration definiert ist. Daher haben wir bereits Partner wie D-Wave, Xanadu und Rigetti. Die am weitesten fortgeschrittene Stufe der Integration befindet sich jedoch derzeit in der Entwicklung, die noch nicht öffentlich bekannt gemacht wurde.

„Das bedeutet, dass wir unsere High-Performance-Computing-Knoten nehmen, eine spezifische Hardwareschnittstelle für den Quantenchip entwickeln, den wir integrieren wollen, und dann den Quantenchip in Form einer Software-Darstellung in unser Betriebssystem integrieren. QMware enthält also die Hardware und das Betriebssystem, und Terra Quantum liefert die Software dazu. Aber die Integration, die Hardwareschnittstelle und das Betriebssystem unterscheiden sich stark von dem, was alle anderen machen. Man könnte sagen, dass die Software, die oben drauf sitzt, die darunter liegende Hardware als einen großen Block von Rechenleistung betrachtet“, so Neukart. Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)

„Mit der Zeit, wenn die Quantenchips immer leistungsfähiger werden, tauschen wir den Simulator gegen einen Quantenchip aus und tauschen die Quantenchips gegen andere Quantenchips aus. [The] Die Software an der Spitze muss nicht angetastet werden; sie wird leistungsfähiger, weil die Hardware darunter leistungsfähiger wird. Es ermöglicht uns eine einfache Parallelisierung. Wie wir zum Beispiel Quantenverarbeitungseinheiten für maschinelles Lernen effizient parallelisieren, ist etwas, das in die Produkte, die wir hier haben, integriert ist. Das ist etwas anderes. Und diese Integrationen, die fortgeschrittene Integration, sind derzeit im Entstehen begriffen. Es ist noch nichts öffentlich bekannt gegeben worden, weil wir mit ihnen unter NDA stehen“, sagte er.

Interessantes Zeug. Bleiben Sie dran.

Von John Russell
27. Dezember 2022

Link: Ein Quantenvorteil ohne Quantengeräte? Ja, sagt Terra Quantum (hpcwire.com)