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Overview

Überblick

Man geht davon aus, dass Quantencomputer eine exponentiell schnellere Ausführung bestimmter Rechenaufgaben erlauben und so möglicherweise Probleme lösen können, die mit klassischen Prozessoren nicht lösbar sind. Vielversprechende Anwendungen für Quantencomputer sind:

Da sich Quantenprozessoren noch in der Entwicklungsphase befinden, sind Quantensimulatoren ein wichtiges Instrument zum Verständnis von Quantencomputern. Quantensimulatoren ermöglichen es, unser Wissen über die Funktionsweise von Quantencomputern zu erweitern, und helfen bei der Entwicklung, Bewertung, Optimierung und Validierung neuer Quantenalgorithmen durch neue Quantenschaltungsdesigns. 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 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

Wir bieten derzeit die folgenden Simulatoren als Container an:

  • Qiskit-aer (CPU & GPU) - qiskit-cpu.sif und qiskit-gpu.sif
  • Qulacs (CPU & GPU) - qulacs-cpu.sif und qulacs-gpu.sif.
  • Cirq und Qsim - qsim.sif
  • QuTip - qutip.sif
  • Qibo (CPU & GPU) - qibo-cpu.sif und qibo-gpu.sif

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

  • Qiskit 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.

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

Zugang

SCC

Alle oben genannten Container sind unter dem Pfad /opt/sw/container/quantum-computing/ zu finden. Für den Simulator Ihrer Wahl hängen Sie den Containernamen an den genannten Pfad an. Ein User kann den Containerpfad seiner Wahl entweder im Terminal oder auf der von der GWDG bereitgestellten Jupyter-HPC-Plattform ausführen.

Terminal

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

module load singularity
singularity exec \
  --bind /scratch /opt/sw/container/quantum-computing/$CONTAINER_DIRECTORY/$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 rev/23.12 # Only needed until January 8th 2024
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.

Jupyter-HPC
  1. Anmelden unter https://jupyter-hpc.gwdg.de/hub/login
  2. Wählen Sie im Dropdown ‘Select a job profile:’ entweder GWDG HPC with own Container oder GWDG HPC with GPU and own Container, je nachdem, welchen Container Sie betreiben wollen.
  3. Geben Sie im neuen Dropdown-Menü ‘Set your own Singularity container location (allowed characters: [a-zA-Z.~-])’ den Pfad Ihres Containers ein, z.B. /opt/sw/container/quantum-computing/$CONTAINER_DIRECTORY/$CONTAINER.
  4. Wenn Sie mit den restlichen Servereinstellungen zufrieden sind, klicken Sie auf ‘Start’, um Ihren Server zu starten.
  5. Nach dem Start können Sie Ihre Notebooks innerhalb der Container-Umgebung 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.

NHR

Alle oben genannten Container können unter dem Pfad /sw/container/quantum-computing/ erreicht werden. Für den Simulator Ihrer Wahl hängen Sie den Containernamen an den genannten Pfad an. 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 \
  /sw/container/quantum-computing/$CONTAINER_DIRECTORY/$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”).

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