Hybrider Softwareansatz ermöglicht nahtlose Interaktion beider Systeme
Gemeinsames Tool für Quanten- und Supercomputersysteme entwickelt
Quantencomputer arbeiten mit Qubits, die im Gegensatz zu klassischen Bits durch Superposition gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren können. Qubits können darüber hinaus verschränkt werden. Dadurch werden neue Rechenmodelle ermöglicht, die klassische Systeme bei bestimmten Aufgaben übertreffen. Quantencomputer sind jedoch nicht universell einsetzbar und sollen traditionelle Hochleistungsrechner (HPC) nicht ersetzen. Stattdessen sind sie als ergänzender Beschleuniger innerhalb der HPC-Landschaft gedacht.
Die Integration von Quantensystemen in HPC-Umgebungen ist aufgrund von Unterschieden in Architektur, Schnittstellen und Steuerungsmechanismen komplex. „Indem wir das hybride Tool namens sys-sage entwickelten, haben wir uns mit einigen der Herausforderungen auseinandergesetzt“, sagt Martin Schulz, Professor für Rechnerarchitektur und Parallele Systeme an der TUM und Mitglied des LRZ-Direktoriums.
Die Lücke schließen: Die sys-sage-Bibliothek
Die sys-sage-Bibliothek diente ursprünglich als eine zentrale Schnittstelle für Supercomputer. Sie sammelt und organisiert dynamische und statische Informationen über die Architektur und Topologie eines Computersystems und stellt diese Informationen für Anwendungen oder andere Systemkomponenten zur Verfügung. Während die Architektur die grundlegende Struktur eines Computers beschreibt, zeigt die Topologie, wie die Komponenten physisch und logisch miteinander verbunden sind. Sie kann also als Landkarte des Systems betrachtet werden.
Die Erweiterung der in der aktuellen Studie vorgestellten sys-sage-Bibliothek ermöglicht nun eine einheitliche Darstellung der Systemtopologien von Quanten- und Hochleistungscomputern. Das Ergebnis ist eine hybride Struktur, die beide Systeme über eine einheitliche Schnittstelle verbindet und deren gemeinsame Nutzung ermöglicht.
Sys-sage informiert dann andere Softwarekomponenten, um deren Aufgaben im Sinne einer optimierten Ressourcennutzung zu unterstützen. So kann etwa entschieden werden, ob eine bestimmte Berechnung aufgrund ihrer Eigenschaften besser auf einem Quanten- oder auf einem klassischen System ausgeführt wird, oder welche Ressourcen innerhalb der jeweiligen Topologien am effizientesten genutzt werden sollten.
„Mit dieser Architektur, die im Rahmen der Initiative Munich Quantum Valley und des Munich Quantum Software Stack (MQSS) entwickelt wurde, legen wir einen der Grundsteine für den produktiven und effizienten Einsatz von Quantencomputern in Supercomputing-Zentren“, fügt Martin Schulz hinzu.
D. Mishra et al., "Towards a Unified Architectural Representation in HPCQC: Extending Sys-Sage for Quantum Technologies," ISC High Performance Conference (2025).https://ieeexplore.ieee.org/document/11017506
- Martin Schulz ist Professor für Rechnerarchitektur und Parallele Systeme an der TUM School of Computation, Information and Technology und gleichzeitig Konsortialsprecher im Munich Quantum Valley (MQV).
- Das MQV fördert die Quantentechnologien in Bayern mit dem Ziel, wettbewerbsfähige Quantencomputer zu entwickeln und zu betreiben. Es wird aus Mitteln der Hightech Agenda Bayern gefördert.
- Der Munich Quantum Software Stack ist ein integrierter, modularer und offener Software Stack für Quantencomputer, der Endnutzer mit Quantensystemen verbindet. Er wird im Rahmen des MQV zusammen von mehreren Lehrstühlen an der TUM, dem Quanten Team am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) und weiteren Partnern im MQV entwickelt.
- Darüber hinaus ist Martin Schulz Mitglied des Direktoriums des LRZ.
- Das Paper erhielt auf der ISC High Performance Konferenz 2025 in Hamburg den Hans Meuer Best Paper Award.
- Quantentechnologie-Forschung an der TUM
Technische Universität München
Corporate Communications Center
- Julia Rinner
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Kontakte zum Artikel:
Prof. Martin Schulz
Technische Universität München
Professor für Rechnerarchitektur und Parallele Systeme
martin.w.j.schulz@tum.de
