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Überblick

Die Quanteninformatik ist ein zukunftsweisendes Gebiet, das die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um Informationen auf grundlegend neue Weise zu verarbeiten. Im Gegensatz zu klassischen Computern, die Bits (0 und 1) für Berechnungen verwenden, nutzen Quantencomputer Qubits, die in einer Überlagerung von Zuständen existieren können. Dadurch sind Quantencomputer in der Lage, bestimmte Arten von Berechnungen exponentiell schneller durchzuführen als klassische Maschinen. Die Quanteninformatik hat das Potenzial, mehrere Branchen zu revolutionieren, indem sie Probleme löst, die für klassische Computer schwierig oder unmöglich sind. Einige wichtige Anwendungen sind:

Da sich Quantenprozessoren noch in der Entwicklungsphase befinden, sind Quantensimulatoren ein wichtiges Instrument zum Verständnis von Quantencomputern. Quantensimulatoren ermöglichen es, unser Verständnis für die Funktionsweise von Quantencomputern zu erweitern, und helfen bei der Entwicklung, Bewertung, Optimierung und Validierung neuer Quantenalgorithmen durch neue Quantenschaltungen. Forscher und Unternehmen sind gleichermaßen gespannt darauf, wie und wo Quantencomputer Vorteile gegenüber klassischen Computern bieten.

Services

Wir bieten Workshops und Lernressourcen für den Einstieg in die Quanteninformatik an. Einzelheiten über den Workshop zum maschinellen Lernen mit Quanten finden Sie hier und den Workshop zur Quantenoptimierung finden Sie hier. Wir bieten auch eine Reihe von führenden Quantensimulatoren an, mit denen Sie Ihre eigenen Quantenschaltungen und algorithmen auf unseren HPC-Systemen testen können.

Simulatoren

Jeder Simulator hat seine eigenen Vorteile zu bieten, was die Wahl des besten Simulators für Ihre Anwendung ermöglicht.

  • Qiskit-aer wird von IBM entwickelt und ist das derzeit am weitesten verbreitete SDK mit ständigen Updates, vielen Methoden und Tutorials und einem guten Simulator (Qiskit-aer), der auf CPUs und GPUs ausgeführt werden kann.
  • Qulacs ist ein durchgängig sehr schneller Simulator, der auf GPUs ausgeführt werden kann und Ihre Anwendungen für eine noch schnellere Ausführung optimieren kann.
  • Cirq wurde von Google entwickelt und kann sehr gut die Ausführung von Anwendungen auf realen Qubit-Architekturen simulieren. Es hat auch mehrere Simulatoren in seinem Toolkit, z. B. qsim, der schneller ist als der Standardsimulator.
  • QuTip wurde mit dem Fokus auf physikalische Anwendungen entwickelt und verfügt daher über eine umfangreiche Bibliothek von Methoden für dieses Ziel.
  • Qibo ist ein weiteres großes Open-Source-Quanten-Ökosystem mit vielen Anwendungen und Tutorials, die es zu erforschen gilt, und einem anständig schnellen Simulator, der auf CPUs und GPUs gestartet werden kann.

Wir bieten derzeit die folgenden Simulatoren als Container an:

SimulatorPath to the containers
Qiskit-CPU/sw/container/quantum-computing/Qiskit-CPU/qiskit-cpu.sif
Qiskit-GPU/sw/container/quantum-computing/Qiskit-GPU/qiskit-gpu.sif
Qulacs-CPU/sw/container/quantum-computing/Qulacs-CPU/qulacs-cpu.sif
Qsim/sw/container/quantum-computing/Qsim/qsim.sif
QuTip/sw/container/quantum-computing/Qutip/qutip.sif
Qibo-CPU/sw/container/quantum-computing/Qibo-CPU/qibo-cpu.sif
Qibo-GPU/sw/container/quantum-computing/Qibo-GPU/qibo-gpu.sif

Hinweis: Cirq-Code kann innerhalb des Containers „qsim.sif“ ausgeführt werden.

Alle Container sind mit gängigen Data-Science-Paketen wie scipy, numpy, matplotlib, und pandas.

Zugang

Jupyter-HPC

  1. Melden Sie sich unter https://jupyter.hpc.gwdg.de/ an.
  2. Wählen Sie das ‘HPC Projekt (Benutzername)’.
  3. Wählen Sie im Dropdown-Menü ‘Job Profile:’ entweder GWDG HPC oder GWDG HPC with GPU, je nachdem, ob Sie CPU oder GPU verwenden möchten.
  4. Markieren Sie das Kästchen ‘Custom Apptainer Container Location’, geben Sie den Pfad Ihres Containers ein, z. B. /sw/container/quantum-computing/Qiskit-CPU/qiskit-cpu.sif. Die vollständige Liste der verfügbaren Simulatoren finden Sie oben.
  5. Wenn Sie mit den restlichen Servereinstellungen zufrieden sind, klicken Sie auf ‘Start’, um Ihren Server zu starten.
  6. Nach dem Start können Sie Ihre Notebooks in der Containerumgebung ausführen oder Ihren Code im Terminal starten. Beachten Sie, dass dieses Mal im Terminal Apptainer> steht; beachten Sie das nicht, es ist die gleiche Container-Plattform wie Singularity.

SCC

Singularity ist die auf der SCC bereitgestellte Container-Plattform. Führen Sie die folgenden Befehle im Terminal aus:

module load singularity
singularity exec --bind /scratch /path/to/container/ python /$YOUR_FILE_PATH

Sie sollten nun im Terminal Singularity> oder Apptainer> sehen. Das bedeutet, dass Sie sich innerhalb des Containers befinden und Ihren Code unter Verwendung der im Container vorhandenen Pakete ausführen können. Sie können auch Slurms sbatch verwenden, um Aufträge in eine Warteschlange zu stellen.

Auf dem SCC sind einige Simulatoren auch als Spack-Module verfügbar. Weitere Informationen finden Sie in der Spack Dokumentation.

Das Spack-System kann wie folgt geladen werden:

module load spack-user
source $SPACK_USER_ROOT/share/spack/setup-env.sh

Die Simulatoren können mit spack load py-qsim oder spack load py-qiskit geladen werden.

NHR

Apptainer ist die Container-Plattform, die auf dem NHR bereitgestellt wird und die wir benötigen. Führen Sie die folgenden Befehle im Terminal aus:

module load apptainer
apptainer exec --bind $WORK,$TMPDIR /path/to/container/ python /$YOUR_FILE_PATH

Sie sollten nun im Terminal Apptainer> sehen. Das bedeutet, dass Sie sich innerhalb des Containers befinden und Ihren Code unter Verwendung der im Container vorhandenen Pakete ausführen können. Sie können auch Slurms “Batch” verwenden, um Aufträge in eine Warteschlange zu stellen.

Support

Wir können bei vielen Fragen helfen, wie z.B.:

  • Grundlegendes Wissen über Quantencomputing und seine Geschichte
  • Erstellung von Quantenschaltungen und Algorithmen
  • Einrichten Ihrer Simulatorumgebung

Falls Ihr gewünschter Simulator nicht verfügbar ist oder für andere allgemeine Fragen, können Sie uns gerne kontaktieren.

Infrastruktur

Die GWDG betreibt mehrere HPC-Systeme. Zwei Systeme stehen Universitäten und öffentlich finanzierten Forschungsinstituten zur Verfügung:

  • SCC: Das SCC steht den Angehörigen der Universität Göttingen und der Max-Planck-Institute zur Verfügung.
  • Emmy: Der Zugang zu Emmy wird auf Projektbasis gewährt.

Informationen über den Zugang zu den HPC-Systemen finden Sie [hier] (https://gwdg.de/en/hpc/services/firststeps/ “HPC Systems list”).