IBM hat eine Referenzarchitektur für quantenzentriertes Supercomputing vorgestellt. Sie beschreibt, wie Quantenprozessoren gemeinsam mit klassischen HPC-Systemen eingesetzt werden können, um wissenschaftliche Probleme zu lösen. Ziel ist eine skalierbare Infrastruktur, in der CPUs, GPUs und QPUs über offene Software und koordinierte Workflows zusammenarbeiten. Erste Forschungsergebnisse zeigen bereits konkrete Anwendungen in Chemie, Materialwissenschaften und Molekülsimulation.

IBM hat eine Referenzarchitektur für quantenzentriertes Supercomputing vorgestellt. Die Architektur soll als Blaupause dienen, um Quantencomputing systematisch in moderne Hochleistungsrechner-Umgebungen zu integrieren. Dabei werden Quantenprozessoren (QPU) gemeinsam mit klassischen Komponenten wie CPUs und GPUs eingesetzt.

Nach Angaben von IBM richtet sich die Architektur an aktuelle wissenschaftliche Workloads und ist zugleich darauf ausgelegt, mit der Weiterentwicklung der Quantenhardware zu wachsen. Sie kombiniert Quantenhardware mit klassischer HPC-Infrastruktur, darunter CPU- und GPU-Cluster, Hochgeschwindigkeitsnetzwerke sowie gemeinsam genutzte Speicher.

Ziel ist eine einheitliche Computing-Umgebung, in der klassische Hochleistungsrechner und Quantenprozessoren koordinierte Workflows ausführen können. Damit sollen wissenschaftliche Probleme adressiert werden, die mit rein klassischen Methoden kaum oder gar nicht lösbar sind.

Offene Software verbindet Quanten- und klassische Systeme

Ein zentraler Bestandteil der Architektur sind offene Software-Frameworks. Dazu gehört unter anderem Qiskit, das Entwicklern und Forschenden den Zugriff auf Quantenfunktionen über vertraute Tools und Workflows ermöglichen soll.

Die integrierte Orchestrierung koordiniert dabei klassische und quantenbasierte Berechnungen. Dadurch können hybride Workflows entstehen, in denen klassische Systeme große Datenmengen verarbeiten, während Quantenprozessoren besonders komplexe Teilprobleme übernehmen.

Ein wichtiger Anwendungsbereich liegt laut IBM in wissenschaftlichen Simulationen – etwa in Chemie, Materialwissenschaften oder Optimierungsproblemen.

„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.“

Erste wissenschaftliche Ergebnisse

IBM verweist auf mehrere Forschungsprojekte, in denen quantenzentrierte Supercomputing-Ansätze bereits eingesetzt wurden. So gelang es Forschenden von IBM, der University of Manchester, der University of Oxford, der ETH Zürich, der EPFL und der Universität Regensburg, erstmals ein Halb-Möbius-Molekül zu erzeugen und dessen elektronische Struktur mithilfe eines quantenzentrierten Supercomputers zu verifizieren.

Ein weiteres Beispiel liefert die Cleveland Clinic, die ein 303-Atom-Tryptophan-Cage-Mini-Protein simulierte. Dabei handelt es sich um eines der bislang größten molekularen Modelle, die mit einem solchen hybriden Ansatz untersucht wurden. Auch bei der Simulation komplexer Quantensysteme konnten Fortschritte erzielt werden. Ein Forschungsteam von IBM, RIKEN und der University of Chicago ermittelte den niedrigsten Energiezustand konstruierter Quantensysteme und übertraf damit bisherige rein klassische Methoden.

Eine besonders große Simulation realisierten Wissenschaftler von RIKEN und IBM bei der Untersuchung von Eisen-Schwefel-Clustern, wichtigen Molekülen in Biologie und Chemie. Dabei arbeiteten ein lokal installierter IBM-Quantum-Heron-Prozessor und die 152.064 klassischen Rechenknoten des Fugaku-Supercomputers zusammen. Weitere Forschungsergebnisse, unter anderem vom Trinity College Dublin, Algorithmiq und IBM, beschäftigen sich mit Methoden zur Simulation komplexer Vielteilchen-Quantendynamik.

Grundlage für zukünftige Anwendungen

IBM sieht in der Referenzarchitektur einen Ausgangspunkt für ein wachsendes Ökosystem aus Forschungseinrichtungen, Partnern und Anwendern. Mit neuen quantenzentrierten Algorithmen soll die Architektur kontinuierlich erweitert werden.

Gemeinsam mit Partnern arbeitet IBM beispielsweise daran, die Planung und Orchestrierung von Workflows über Quanten- und klassische HPC-Ressourcen hinweg zu verbessern. Ein Beispiel ist die Zusammenarbeit mit dem Rensselaer Polytechnic Institute. Langfristig sollen auf dieser Grundlage neue Anwendungen entstehen – etwa in Chemie, Materialwissenschaften, Optimierung oder anderen rechenintensiven Forschungsbereichen.

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