By Kenna Hughes-Castleberry gepostet am 28. Oktober 2022
„Wir sehen, dass die Zahl der Quantengeräte in der Cloud ständig zunimmt“, erklärt Dr. Gokul Subramanian Ravi, Postdoktorand an der University of Chicago. Ravi hat Cloud-basiertes Quantencomputing untersucht und sogar veröffentlicht ein Papier auf den Dienst. „Um in naher Zukunft einen praktischen Quantenvorteil zu erreichen, ist eine harmonische Koordination erforderlich, angefangen bei denjenigen, die im Anwendungsstapel arbeiten, bis hin zu denen, die die tatsächlichen Gewohnheiten aufbauen. Quanten in der Cloud gehören zu den wichtigsten Schritten, um diese Harmonie zu erreichen.“ Da die Cloud Benutzern eine Möglichkeit zum Testen, Ausführen und Programm Quantencomputer aus der Ferne, ist dies für viele Quantencomputerunternehmen eine attraktive Option zur Untersuchung. „In absehbarer Zukunft wird Quantencomputing keine Rechenressource sein, die nicht vor Ort bereitgestellt werden kann“, erklärte er Tuschar Mittal, Senior Quantum Product Manager, at IBM Cloud. „Es hat Verwaltungskomplexitäten, die es bei der klassischen Computerbereitstellung nicht gibt, wie z. B. aktive Kalibrierungen in kryogenen Umgebungen. Selbst On-Prem-ähnliche Bereitstellungen sind keine eigenständigen Boxen – sie werden immer noch lokalisiert verwaltet, um Dienste zu berechnen. Vor diesem Hintergrund ermöglicht uns die Cloud, intuitivere und flexiblere Zugriffsmodelle bereitzustellen, die den Benutzern einen skalierbaren Rechenzugriff bieten können.“ Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Cloud-Diensten kommt es jedoch zu längeren Wartezeiten und Verzögerungen bei der Erledigung von Aufträgen. Das bedeutet, dass Quantencomputing und die Cloud möglicherweise einige Verbesserungen vornehmen müssen, bevor sie weiter verbreitet werden.
Die Cloud, ein System von Remote-Netzwerkservern, die im Internet laufen, bietet viele Dienste für Benutzer. Von der Speicherung bis hin zu kollaborativen Projekten wird die Cloud von vielen Unternehmen weltweit aufgrund ihrer Flexibilität und Vielseitigkeit genutzt. Die eigentliche Schnittstelle selbst kann ziemlich kompliziert sein. „Das Wichtigste ist, dass der Benutzer versteht, dass die Anbindung an einen Quantencomputer im Vergleich zu klassischen Cloud-Computern eine andere Programmiersprache erfordert“, erklärt er QuTech Engineering Lead der Quantum Computing Division, Richard Versluis. „Diese Sprache, in den meisten Fällen eine Quanten-Assembler-Sprache (oder QASM), wird direkt vom Benutzer geschrieben, aus einer höheren Sprache kompiliert oder ein spezieller, für Quantencomputer geeigneter Web-Editor wird zur Bearbeitung verwendet.“ Erst vor kurzem hat Quantencomputing damit begonnen, die Cloud als Unternehmensplattform wie die von Microsoft zu nutzen Azure Quantum, Zapatas Orchester und Braket von AWS einen besseren Zugang zum Quantencomputing bieten. „Quantenmaschinen sind knappe und teure Ressourcen“, sagte Ravi. „In der unmittelbaren und mittleren Zukunft wird erwartet, dass die meisten Benutzer von Quantenmaschinen, sowohl aus der Wissenschaft als auch aus der Industrie, über Cloud-Angebote auf Quantenmaschinen zugreifen werden. Die Anzahl der Maschinen in der Cloud wächst nicht nur ständig, sondern sie werden auch ständig in Bezug auf ihre Softwareunterstützung und Hardwarefähigkeiten aktualisiert, sodass Benutzer innovative Experimente mit den besten Systemen durchführen können, die verschiedene Anbieter zu bieten haben ein Muss für die schnelle Weiterentwicklung der Quantengrenzen.“ Die Fähigkeit der Cloud, Quantencomputing zugänglicher zu machen, kann einen Einfluss auf die Ausbildung der zukünftigen Quantenarbeitskräfte haben, da mehr Menschen Zugang zu dieser Technologie haben. Kurse wie IBMs Qiskit bieten Möglichkeiten für Einzelpersonen, mit Quantencomputing und der Cloud mit echten Ergebnissen zu interagieren. Versluis fügte hinzu: „Dies bietet Zugang für Studenten, aber auch für (Unternehmens-)Forscher. Es bietet auch einen Mechanismus, um Quantencomputer mit anderen Computern auf der Welt, wie z. B. Supercomputern, zu verbinden.“
Cloud-basiertes Quantencomputing bietet mehr Flexibilität mit hybriden Modellen und ermöglicht es Benutzern, verschiedene Arten von Quantencomputing-Hardware auszuprobieren. Laut Mittal: „Außerhalb flexibler Zugriffsmodelle eröffnet die Cloud auch eine Möglichkeit, Dienste bereitzustellen, die es Benutzern ermöglichen, Quantencomputerdienste neben elastischem, klassischem Computing zu nutzen, um Arbeitsabläufe für eine bessere Leistung neu zu gestalten. IBM entwickelt derzeit Tools, mit denen Benutzer mit der Orchestrierung dieser Ressourcen und den Methoden experimentieren können, die solche Architekturen erfordern.“
Für diejenigen, die die Technologie für ihr eigenes Unternehmen nutzen möchten, kann die Cloud auch eine Möglichkeit sein, Quantencomputer erschwinglicher zu machen. Wie Ravi erklärte: „Eine bessere Zugänglichkeit bietet immer noch nur denjenigen Institutionen einen einfachen Zugang, die es sich leisten können. Während die meisten Anbieter einen gewissen kostenlosen öffentlichen Zugang sowie Kredite für begrenzte Forschung ermöglichen, ist dies für diejenigen ohne privilegierten Gerätezugriff oft unzureichend für eine vollwertige F&E. Damit ein aufstrebender Bereich wie Quantencomputing erfolgreich sein kann, benötigen wir weltweit umfassende Forschung und Entwicklung, und die Anbieter müssen dies im Auge behalten, insbesondere da die Nachfrage täglich weiter steigt.“ Mit mehr Unternehmen wie z D-Welle Systemen, die Quantencomputing und die Cloud anbieten, steigt die Zahl der Cloud-basierten Quantencomputer, wodurch Interessenten mehr Optionen zur Auswahl stehen und die Optionen kostengünstiger werden.
Doch die steigende Nachfrage nach Cloud-basiertem Quantencomputing könnte ihr auch zum Verhängnis werden. Lange Wartezeiten für die Ausführung von Jobs stellen für bestimmte Plattformen einen Engpass dar. „Selbst für Benutzer mit einem gewissen Maß an privilegiertem Zugriff können die Wartezeiten für den Maschinenzugriff oft viele Stunden und manchmal sogar Tage betragen!“ rief Ravi aus. „Dies gilt insbesondere für neuere Angebote wie Trapped-Ion-Maschinen, die von hoher Qualität, aber zahlenmäßig begrenzter sind.“ Lange Wartezeiten verursachen nicht nur Engpässe, sondern können insbesondere für komplexere Algorithmen schädlich sein, z variabel Quantenalgorithmen, die, wie Ravi hinzufügte: „als vielversprechend angesehen werden, um einen kurzfristigen Quantenvorteil zu demonstrieren. Das Ausführen von Hunderten oder Tausenden solcher sequenzieller Jobs kann Wochen dauern.“ Diese Zeitverzögerung ist für viele sowohl in der Industrie als auch in der Forschung kritisch, da ihre Jobs möglicherweise nicht einmal relevant sind, wenn sie in der Cloud verarbeitet werden, was zu weiteren Schwierigkeiten führt.
Es gibt viele Methoden, die diese erheblichen Verzögerungen verbessern könnten. Eine besteht darin, der Cloud-Plattform weitere Quantencomputer hinzuzufügen. Wie das Öffnen einer weiteren Kasse in einer Kassenschlange könnte dies mehr Arbeitsplätze verteilen und kürzere Wartezeiten schaffen. Mittal glaubt, dass Benutzer ihre Erwartungen an die Software ändern müssen. Wie Mittal erklärte: „Das Management der Erwartungen an Zugriffsmodelle und Dienste, die Benutzer zur Nutzung von Quantencomputern verwenden, wird sich natürlich weiterentwickeln, wenn die Technologie und die Fähigkeiten ausgereift sind. „Aber Ravi glaubt, dass eine Lösung von der Plattform selbst kommen muss. „Unternehmen haben damit begonnen, gut integrierte klassische Quanten-Hybrid-Unterstützung in der Cloud anzubieten, sodass diese mehreren Ausführungen als ein Einzelbenutzer-Job ausgeführt werden können“, sagte Ravi. „Ein Beispiel ist das von IBM Qiskit-Laufzeit, das seine Flexibilität und Unterstützung ständig erhöht, um eine Vielzahl von Experimenten zu unterstützen, die iterativen Anwendungen entsprechen, aber es ist noch ein langer Weg zu gehen.“
Kenna Hughes-Castleberry ist Mitarbeiterin bei Inside Quantum Technology und Science Communicator bei JILA (eine Partnerschaft zwischen der University of Colorado Boulder und NIST). Ihre Beats beim Schreiben umfassen Deep Tech, Metaverse und Quantentechnologie.
