Quantencomputer - Teil 4 - Die Spielplätze

Do, 19. August 2021, Ralf Hersel

Zum Glück halten die grossen Firmen und Forschungseinrichtungen ihre Entwicklungen bei den Quantencomputern nicht unter Verschluss, sondern bieten ausführliche Anleitungen, Simulatoren und Zugriffe auf real existierende Implementierungen zum Ausprobieren an.

In diesem vierten Teil der Serie beleuchte ich die Angebote von Amazon, IBM, Google und Microsoft. Fast alle Unternehmen fördern die Wissenschaft mit Beratung, Testumgebungen, Programmiersprachen und kostenpflichtigen Sitzungen auf echten Quantencomputern. Wie man sich denken kann, richten sich diese Angebote nicht an Script-Kiddies, weniger an ausgewachsene Entwickler, sondern mehr an Forschungseinrichtungen und Firmen.

Amazon Braket

Der Name ist passend gewählt, steht doch das Bra und das Ket für die gängige Qubit-Notation. Amazons Braket ist ein vollständig verwalteter Quantencomputer-Service, der Forschern und Entwicklern hilft, mit der Technologie zu beginnen. Amazon Braket stellt eine Entwicklungsumgebung zur Verfügung, mit der man Quantenalgorithmen erforschen und bauen, sie auf Quantenschaltungssimulatoren testen und auf verschiedenen Quanten-Hardwaretechnologien ausführen kann.

Mit Amazon Braket kann man seine eigenen Quantenalgorithmen entwerfen oder aus einem Satz vorgefertigter Algorithmen wählen. Sobald man einen Algorithmus erstellt hat, bietet Braket eine Auswahl an Simulatoren, um die Algorithmen zu testen, Fehler darin zu beheben und sie auszuführen. Ist man damit zufrieden, kann der Algorithmus auch auf verschiedenen Quantencomputern ausführt werden, darunter Rechner von D-Wave und Gate-basierte Computer von Rigetti und IonQ.

Google Quantum Computing Service

Der Google Service bietet Kunden Zugang zu Googles Quantencomputer-Hardware. Programme, die in Cirq, einer Open-Source-Programmsprache für Quantencomputer, geschrieben wurden, können an einen Quantencomputer in Googles Labor in Santa Barbara, Kalifornien, geschickt werden. Dort kann man beliebige Rotationen eines einzelnen Qubits sowie verschiedene Arten von Gattern mit zwei Qubits durchführen. Messungen aller Qubits als letzter Schritt werden ebenfalls unterstützt. Der Zugang wird derzeit nur denjenigen gewährt, die auf einer genehmigten Liste stehen, für die sich Early-Access-Partner bewerben können.

IBM Cloud

IBM bietet verschiedene Möglichkeiten an: Mit dem IBM Quantum Composer stellt der Konzern eine Art von Zeichenprogramm zur Verfügung, mit dem sich Schaltkreise zusammenklicken lassen; dies vereinfacht das Prototyping. Alternativ entstehen Algorithmen mit dem unter der Apache-Lizenz 2.0 stehendem Framework Qiskit in Python. Wer nicht seine eigene Entwicklungsumgebung verwenden möchte, kann die IBM Quantum Labs verwenden. Diese IDE benutzt Jupyter-Notebooks, die auf die Arbeit mit Quantenalgorithmen zugeschnitten sind. Um den Einstieg zu erleichtern, stellt IBM Beispiele und Tuturials zur Verfügung.

Microsoft

Mit Azure Quantum stellt auch Microsoft ein Quantum-Computing Angebot in der Cloud bereit, welches sich aber noch im Public-Preview Stadium befindet. Im Gegensatz zu den anderen Anbietern, werden die Algorithmen bei Microsoft in Q# (Q-Sharp), anstatt in Python definiert. Q# wird von Visual Studio Code unterstützt. Das zugrundeliegende Quantum Development Kit (QDK) steht unter der MIT-Lizenz und findet sich auf GitHub. Alternativ können auch hier Jupyter-Notebooks verwendet werden.

Möchte man die eigenen Quanten-Schöpfungen testen, steht der Quantum Computing Application Accelerator (QCI) für Simulationen bereit. Für dessen Nutzung ist ein Azure-Abonnement notwendig. Von dort kann man die Algorithmen auf echter Hardware laufen lassen. Dafür werden Ionen-Fallen von Honeywell und IonQ verwendet.

Hardware-Anbieter

Die Quantencomputerhersteller D-Wave, Honeywell, IonQ und Rigetti betreiben ebenfalls eigene Cloud-Dienste, mit denen sich deren Systeme nutzen lassen. Der Zugang steht jedoch nicht für die Öffentlichkeit zur Verfügung, sondern wird nur auf Anfrage und Zahlungsbereitschaft gewährt.

Fazit

Die grossen Cloud-Anbieter haben Quantensimulatoren, -hardware und Softwaretools im Angebot. Für die Arbeit mit Algorithmen und Hardware stehen Frameworks bereit. Deren Programmiersprache ist in der Regel Python. Der Zugriff auf Quantenhardware ist mit Kosten verbunden, die sich schlecht abschätzen lassen. Bei den Hardwareherstellern direkt ist der Zugang nur schwierig zu bekommen.

Im fünften und letzten Teil der Serie wird es um eine konkrete Anwendung gehen.

Quellen:

https://aws.amazon.com/de/braket/

https://quantumai.google/cirq/google/concepts

https://quantum-computing.ibm.com/

https://azure.microsoft.com/de-de/services/quantum/

https://shop.heise.de/ix-special-2021-quantencomputer/Print