JUNIQ bietet seit 2022 als weltweite erste Quantencomputing-Infrastruktur Nutzenden aus Wissenschaft und Wirtschaft Zugang zu verschiedenen Quantenrechnern. Die Integration dieser Quantenrechner in die modulare Supercomputing-Infrastruktur des Jülich Supercomputing Centre eröffnet einzigartige Möglichkeiten, um Lösungen für komplexe Aufgaben durch eine effiziente Kombination von Quantencomputing, Künstlicher Intelligenz und klassischem Computing zu finden. Diese Kombination positioniert Jülich als führendes Innovationszentrum für Quantencomputing in Europa.
Das ist JUNIQ
JUNIQ – die „JUelicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputing“ – ist unser Schlüssel zu den Rechenleistungen von morgen. Mit Zugang zu einer Vielzahl von Quantensystemen in unterschiedlichen Entwicklungsstufen bietet JUNIQ sowohl Wissenschaft als auch Wirtschaft eine einzigartige Plattform. Von hochmodernen kommerziellen Systemen wie dem D-Wave-Quantenannealer bis hin zu kontinuierlich optimierten, experimentellen Quantencomputern eröffnet JUNIQ vielfältige Möglichkeiten für Forschung und Innovation.
Das Gebäude der „JUelicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputing" JUNIQ.Copyright: — Forschungszentrum Jülich
Doch JUNIQ ist mehr als nur Zugang zu Quantenmaschinen: Forscher:innen profitieren von umfassender Unterstützung bei der Entwicklung von Algorithmen und Anwendungen fürs Quantencomputing. Eingebettet in die Future IT-Systems-Strategie des Forschungszentrums Jülich und eng verknüpft mit den leistungsstarken Jülicher Supercomputern, verbindet JUNIQ die Vorteile von Quantencomputing und klassischer Hochleistungsrechenleistung. Durch hybride Ansätze und die Integration von künstlicher Intelligenz können selbst komplexeste Fragestellungen auf völlig neue Weise adressiert werden – ein entscheidender Schritt in Richtung bahnbrechender wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Lösungen. Die Landesregierung NRW und das Bundesministerium für Bildung und Forschung haben den Aufbau von JUNIQ mit einer Förderung in Höhe von je fünf Millionen Euro unterstützt.
So wird Juniq genutzt: Anwendungsbeispiele
Die Entstehung des Universums nach dem Urknall
Jaka Vodeb (JSC) schaut sich mit dem Quantenannealer die Quantenprozesse an, die kurz nach dem Urknall abliefen.
Sandipan Mohanty nutzte den D-Wave annealing Quantencomputer, um die Faltung von Gitterproteinen zu untersuchen. Ein Ziel ist beispielsweise, neurodegenerative Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson besser zu verstehen.
Das Tail Assignment-Problem, bei dem Flugzeuge und Crew Flügen zugewiesen werden, ist eine der großen Herausforderungen, die von Fluggesellschaften regelmäßig bewältigt werden müssen. JSC-Forscher untersuchen Quantenalgorithmen zur Lösung vereinfachter Zuordnungsprobleme.
JUNIQ bietet die einzigartige Möglichkeit, verschiedene Quantencomputersysteme und Konzepte auf einer Plattform miteinander zu vergleichen.
Die Infrastruktur: Das bietet JUNIQ
Emulatoren
Emulatoren sind Programme, die auf Supercomputern laufen und Quantencomputer nachahmen. So lassen sich zum Beispiel schon heute Algorithmen testen, die künftig auf Quantencomputern laufen sollen.
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).
Bereitstellung: seit Januar 2022
Standort: Jülich
Qubit-Zahl: 41
Besonderheit: Der Emulator läuft auf einer speziellen Hardware-Infrastruktur – etwa in der Größe eines einfachen Business-Servers – mit großer Speicherkapazität.
Quantenannealer
Ein Quantenannealer ist ein analoger Quantencomputer und nutzt wie andere Quantencomputer die Quantenmechanik, um Berechnungen durchzuführen. Analog bedeutet, dass kontinuierliche Änderungen am Qubitsystem vorgenommen werden, ähnlich wie bei einer Lampe mit Dimmer, die mehr Helligkeitsstufen als ein (1) und aus (0) hat. Quantenannealer sind jedoch 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
Bereitstellung: seit Januar 2022
Art: kommerzielles System / 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 mit JUPITER, dem ersten europäischen Exascale-Rechner verbunden werden, um die Fähigkeiten beider Systeme zu kombinieren.
Quantensimulator
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.
PASQAL QUANTENSIMULATOR JADE
Bereitstellung: voraussichtlich ab Sommer 2025
Art: kommerzielles System
Standort: Jülich
Qubit-Typ: Neutral-Atome
Qubit-Zahl: 100+
Besonderheit: Der Jülicher Quantensimulator und ein weiteres baugleiches Gerät am französischen Supercomputerzentrum TGCC/CEA sollen im EuroHPC-Projekt „High-Performance Computer and Quantum Simulator hybrid“ (HPCQS) eng mit zwei europäischen Supercomputern – darunter Jülichs Superrechner JURECA DC – verbunden werden. Dieses Hybridsystem soll es ermöglichen, die Leistung von Quantencomputern für die ersten praktischen Hybridanwendungen, wie die Entwicklung von Medikamenten, zu nutzen.
Digitale Quantencomputer
Digitale Quantencomputer sind sozusagen die Königsklasse und sollen in Zukunft komplexe Aufgaben lösen, an denen heutige Supercomputer scheitern. Fachleute sprechen von „universell programmierbaren oder gatter-basierten Quantencomputern“ – also von Quantencomputern, die sich für ein breiteres Spektrum an Problemen einsetzen lassen als Quantenannealer oder Quantensimulatoren und somit prinzipiell für jede Berechnung genutzt werden können.
Kommerzielle Systeme
IQM Spark
ELECTRON QUANTENCOMPUTER JION
ARQUE
Bereitstellung: ab 2025
Art: kommerzielles System
Standort: Jülich
Qubit-Typ: supraleitende Qubits
QuBit-Zahl: 5
Besonderheit: Das System ist der erste gatterbasierte Quantencomputer, der in Jülich in den wissenschaftlichen Anwendungsbetrieb gehen wird. IQM Spark wird mit den Supercomputer JURECA DC des JSC verbunden. Forschende können so untersuchen, wie sich Berechnungen auf klassischen Superrechnern mit Hilfe von Quantencomputern beschleunigen lassen. IQM Spark wurde speziell für grundlegende Experimente und den Einsatz in der Lehre an Universitäten und Forschungseinrichtungen entwickelt.
Bereitstellung: voraussichtlich ab Sommer 2025
Art: kommerzielles Pilotsystem
Standort: Jülich
Qubit-Typ: Ionenfallen-Qubits
Qubit-Zahl: zunächst 30, später Ausbau auf 60
Besonderheit: Ein Quanten-Supercomputer made in Nordrhein-Westfalen. In dem vom NRW MKW geförderten Projekt EPIQ soll er in das JURECA DC Systems des JSC integriert werden und ab 2025 in JUNIQ im hybriden Modus eingesetzt werden.
Bereitstellung: voraussichtlich ab Sommer 2026
Art: kommerzielles Pilotsystem
Standort: Jülich
Qubit-Typ: Halbleiter-Qubits
Qubit-Zahl: 5
Besonderheit: Ein Quantencomputer made in Nordrhein-Westfalen. Er soll in das JURECA DC Systems des JSC integriert werden und ab 2026 in JUNIQ im hybriden Modus eingesetzt werden.
Experimentelle Systeme
QSOLID
OPENSUPERQPLUS
CQC
Bereitstellung: in Entwicklung
Art: experimentelles Quantensystem
Standort: Jülich
Qubit-Typ: supraleitende Qubits
Qubit-Zahl: Derzeit 10, geplant 30
Besonderheit: In dem vom BMBF geförderten Projekt QSolid werden seit Anfang 2022 Quantendemonstratoren entwickelt, deren Qubits eine geringe Fehlerquote aufweisen sollen. Bis 2027 sollen 30 Qubits erreicht werden.
Bereitstellung: in Entwicklung
Art: experimentelles Quantensystem
Standort: Jülich
Qubit-Typ: supraleitende Qubits
Qubit-Zahl: 1000 bis Projektende
Besonderheit: Das Projekt OpenSuperQPlus ist Teil der 2018 gestarteten EU-Forschungsinitiative „Quantum-Flagship“. Ziel der 28 Partner aus 10 Ländern ist der Bau eines europäischen Quantencomputers mit 1000 Qubits.
Bereitstellung: in Entwicklung
Art: experimentelles Quantensystem
Standort: Jülich
Qubit-Typ: supraleitende Qubits
Qubit-Zahl: 5
Besonderheit: Ein Quantencomputer, gebaut am JSC mit Komponenten aus dem Regal(Bluefors Cryostat, 5-qubit Soprano QPU from QuantWare, quantum control system from Quantum Machines (QM)) durch ein Konsortium bestehend aus FZJ, ParTec, QM, Goethe Universität Frankfurt, das Software für die Integration des Quantencomputers in die HPC-Infrastruktur des JSC entwickelt hat.
Wir sind führend in der Entwicklung modularer Integrationstechnologien, die für die Kopplung zukünftiger Quantencomputer benötigt werden, und wir entwickeln hybride Quanten-HPC-Algorithmen.
JUNIQ in Zahlen
5000
Mit mehr als 5.000 Qubits ist der D-WaveTM Annealing Quantencomputer am JSC in Jülich der weltweit größte und Europas erster Annealing Quantencomputer.
-273,15
Fast minus 273,15 Grad Celsius, also nahe dem absoluten Nullpunkt, ist die Temperatur im Kryostat eines Quantencomputers.
5
Mit dem „IQM Spark“ hat das JSC ein 5-Qubit-Quantensystem erworben, mit dem Forschende untersuchen können, wie sich Berechnungen auf klassischen Superrechnern mit Hilfe von Quantencomputern beschleunigen lassen.
Über die Jülicher NutzerInfrastruktur für Quantencomputing bekommen Wissenschaft und Industrie Zugang zu modernsten Quantencomputern. Informationen zu aktuellen Ausschreibungen, der Einrichtung von Forschungsanträgen und dem Ablauf des Bewerbungsverfahrens finden sich auf den JUNIQ-Seiten des Jülich Supercomputing Centre.
