Der Munich Quantum Software Stack (MQSS)
Um das Quantencomputing einem breiten Spektrum von Nutzern mit unterschiedlichem Hintergrund und aus verschiedenen Bereichen zugänglich zu machen, ist ein umfassender und einheitlicher Software-Stack erforderlich. Ein solcher Software-Stack sollte generisch und flexibel sein: Er sollte in der Lage sein, mehrere und unterschiedliche Hardware-Plattformen anzusteuern und alle Arten potenzieller Quantenalgorithmen zu unterstützen, einschließlich zukünftiger Algorithmen, die noch nicht existieren. Es müssen neue Anforderungen erfüllt werden, wie z.B. eine dynamische Kompilierung, die aktuelle Kalibrierungsdaten der einzelnen Hardwaresysteme berücksichtigt. Um Benutzern, die mit der Quantenphysik nicht vertraut sind, die Nutzung von Quantencomputerressourcen zu ermöglichen, muss die Programmierung auf einer hohen Abstraktionsebene ausreichen, um ihre Anwendungen auszuführen. Generell werden Methoden und Werkzeuge benötigt, um den Arbeitsablauf vom Benutzer bis zur Ausführung im Backend zu automatisieren.
Von besonderer Bedeutung ist die tiefe Integration von Quantensoftware in bestehende Software-Stacks für das klassische Hochleistungsrechnen (HPC). Denn es ist zu erwarten, dass Quantencomputersysteme nicht nur als eigenständige Computer, sondern vor allem als HPC-Beschleuniger eingesetzt werden, d. h. Quantensysteme eignen sich zur Beschleunigung sehr gezielter Probleme, während für die übrigen Berechnungen klassische HPC-Systeme erforderlich sind.
Im Rahmen des Munich Quantum Valley (als Teil des Q-DESSI-Konsortiums ) entwickeln wir den Munich Quantum Software Stack (MQSS), der all diesen Anforderungen Rechnung trägt. Der MQSS wird gemeinsam vom Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) und dem Lehrstuhl für Design Automation (CDA) sowie dem Lehrstuhl für Rechnerarchitektur und Parallele Systeme (CAPS) der Technischen Universität München (TUM) entwickelt. Eine konkrete Instanz des MQSS wird derzeit am LRZ eingesetzt und dient als Zugangspunkt zu allen seinen Quantengeräten über mehrere kompatible Zugangswege, einschließlich eines Webportals, Kommandozeilenzugriffs über Web-Credentials sowie der Option für einen hybriden Zugang mit enger Integration mit den HPC-Systemen des LRZ. Es erleichtert die Verbindung zwischen Endnutzern und Quantencomputing-Plattformen durch seine Integration in HPC-Infrastrukturen, wie sie am LRZ zu finden sind. Neben dem engen Austausch mit anderen MQV-Konsortien beteiligen sich die Wissenschaftler auch aktiv an anderen vom Bund und der EU geförderten Projekten. Wenn Sie mehr erfahren oder einen Beitrag leisten wollen, kontaktieren Sie uns unter mqss(at)munich-quantum-valley.com.
Quantum Device Management Interface (QDMI)
Das Quantum Device Management Interface (QDMI) ist eine der Kernkomponenten des Munich Quantum Software Stack (MQSS) – ein hochentwickelter Software-Stack für die Verbindung von Endnutzern mit der breiten Palette möglicher Quantengeräte. Er ermöglicht die Einreichung und Kontrolle von gate-basierten Quantensystemen und versetzt Software-Tools in die Lage, die sich ändernden physikalischen Eigenschaften und Einschränkungen verschiedener Plattformen automatisch abzurufen und sich an diese anzupassen. QDMI zielt darauf ab, Software- und Hardwareentwickler zusammenzubringen, zwischen ihren konkurrierenden Interessen zu vermitteln, eine Brücke zwischen den Technologien zu schlagen und letztendlich geeignete Kompromisse und Einschränkungen zu finden, die berücksichtigt werden müssen. QDMI ist daher die Methode der Wahl für die Integration neuer Plattformen in das MQSS und für Software-Tools zur Abfrage von Informationen von diesen Plattformen. QDMI wird als eine Sammlung von C-Header-Dateien bereitgestellt, um eine schnelle Integration in eine HPC-Umgebung zu ermöglichen.
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Munich Quantum Toolkit (MQT)
Das Munich Quantum Toolkit (MQT) ist eine Sammlung von Software-Werkzeugen für das Quantencomputing, die explizit die Expertise in der Entwurfsautomatisierung nutzt, um effiziente und automatisierte Lösungen für Entwurfsaufgaben über den gesamten Quanten-Software-Stack anzubieten. Dies umfasst High-Level-Unterstützung für Endanwender bei der Realisierung ihrer Anwendungen, effiziente Methoden für die klassische Simulation, Kompilierung und Verifizierung von Quantenschaltungen, Werkzeuge für die Quantenfehlerkorrektur, Unterstützung für den physikalischen Entwurf und mehr. Diese Methoden werden durch entsprechende Datenstrukturen (wie Entscheidungsdiagramme, Tensornetze oder den ZX-Calculus) und Kernmethoden (wie SAT-Solving) unterstützt. Alle entwickelten Werkzeuge sind als Open-Source-Implementierungen auf GitHub verfügbar. Viele von ihnen sind/werden als Teil des MQSS integriert werden.
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Relevante Projekte und Aktivitäten
Quantum Integration Centre
Das Quantum Integration Centre (QIC) bündelt die Quantenaktivitäten am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) und unterstützt das Munich Quantum Valley und seine Partner. Ziel ist es, eine Schnittstelle zu den Nutzern der bayerischen Quantencomputer zu realisieren und die Integration von Quantencomputing mit Supercomputing und High Performance Computing voranzutreiben.
Q-Exa
Q-Exa, ein hybrides, betriebsbereites HPC-QC-System, ist das Ergebnis des Projekts „Quantum Computer Extension for Exascale HPC“ (Q-Exa). Ziel des Projekts war es, auf supraleitenden Schaltkreisen basierende Quantenverarbeitungseinheiten (QPU) mit einem Supercomputer zu verbinden und dafür Schnittstellen und Steuerungswerkzeuge zu entwickeln. Durch innovatives Co-Design und Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie sollen Wissenschaft und Forschung möglichst schnell Zugang zu einer vielversprechenden Zukunftstechnologie erhalten, die neue Rechenmethoden ermöglicht. Q-Exa legt die Grundlagen für die Erforschung und Weiterentwicklung des Quantencomputings und für die Beschleunigung von HPC durch QPUs.
Euro-Q-Exa
Das Ziel des Forschungsprojekts „European Quantum Computing for Exascale HPC“ (Euro-Q-Exa) ist die Integration von Quantencomputern in einen bestehenden Supercomputer und in das High Performance Computing (HPC) am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ). Neben dem Hosting des Systems am LRZ durch eine effiziente Betriebsunterstützung sollen Soft- und Hardwarelösungen für die Integration der Euro-Q-Exa-Systemreihe in die HPC-Infrastruktur am LRZ entwickelt werden.
Q-DESSI
Das Q-DESSI-Konsortium (Quantum Development Environment, System Software & Integration) widmet sich der Schaffung eines Munich Quantum Software Stack, einer technologieunabhängigen Softwareumgebung, die sowohl Quanten- als auch Hybridanwendungen ermöglicht. Er umfasst Programmier- und Laufzeitumgebungen mit optimierten Compilern, Laufzeitsystemen und Werkzeugen, die Systemsoftware, die für die Steuerung, den Zugriff und den Betrieb von Quantensystemen benötigt wird, sowie die Software zur Integration in bestehende Rechnerstrukturen als Teil des größeren Ökosystems des Hochleistungsrechnens (HPC). Die Arbeit innerhalb des Q-DESSI-Konsortiums baut auf der Hardwarearbeit in den Technologiekonsortien im Rahmen des MQV und der Partnerprojekte auf und stellt die erforderliche technologieübergreifende Abstraktionsschicht sowie Dienste für die Anwendungs- und Bibliotheksschicht für die Nutzergemeinschaft bereit.