Schulungsangebot Quantencomputing

Quantenprogrammierung leicht gemacht!

© Fraunhofer IAO

Herausforderung

Quantencomputer werden uns zukünftig helfen, die Welt besser zu verstehen und zu organisieren. Daher bieten das Fraunhofer IAO und das Fraunhofer IAF ein Schulungsangebot an, um Interessierten die Funktionsweise und vielfältigen Anwendungen von Quantencomputern nahe zu bringen. Am Standort Stuttgart und Freiburg erhalten Interessierte einen ersten Einblick in verschiedene Themen des Quantencomputings. Vom Einstieg bis in tiefergehende Fragestellungen, ob mit oder ohne Vorkenntnisse – für jede(n) mit Interesse an Quantencomputing ist etwas dabei. Im Rahmen des Kompetenzzentrums »Quantencomputing Baden-Württemberg« wurden bereits die organisatorischen und technischen Voraussetzungen geschaffen, um wissenschaftliche Projekte und Auftragsforschung unter Nutzung von IBM-Quantencomputern zu ermöglichen. Ziel ist es, möglichst vielen Forschergruppen und Unternehmen einen gut organisierten Zugriff und eine effiziente Nutzung der IBM-Quantencomputer zu ermöglichen. In der Startphase entstand ein Computer-Pool am Fraunhofer IAO (Stuttgart) und Fraunhofer IAF (Freiburg).

Methodik

Um möglichst vielen Interessierten das nötige Know-How zur effizienten Nutzung von Quantencomputern (wie z.B. dem IBM-Quantencomputer in Ehningen) zu vermitteln, gibt es am Zentrum für Virtuelles Engineering (ZVE) des Fraunhofer IAO (Stuttgart) einen leistungsfähigen Computer-Pool. Hier befinden sich neun Workstations und mehrere klassische Hochleistungscomputer für Simulationen sowie Trainings- und Schulungszwecke, die an die IBM-Quantencomputer per Cloud angeschlossen sind. Einen weiteren Computer-Pool besitzt das Fraunhofer IAF in Freiburg. Neben Schulungen vor Ort sind aktuell auch virtuelle Workshops möglich.

Im Folgenden sind die konkreten Inhalte des Schulungsprogramms stichpunktartig zusammengefasst. Auf Anfrage lassen wir Ihnen gerne die detaillierte Agenda des Schulungsprogrammes zukommen:

Wissenschaftliche Grundlagen
• Physik – Das Konzept Quantenmechanik
• Mathematik – Lineare Algebra
• Informatik – Python Crashkurs

Einführung Quantencomputing
• Qubits, Schaltkreise und Messprozesse
• Programmierung mit Qiskit

QC-Hardware und Softwarelandschaft
• Technische Realisierungen
• Anbieter und deren Softwarelösungen
• Stand der Technik und Zukunftsprognose

Quantenalgorithmen
• Variationelle und hybride Ansätze
• Fehlermitigation

Netzwerk- und Austausch-Plattform
Vorstellung der
• Landes- und Bundesprojekte
• Hardware- und Softwareanbieter
• Industriellen Anwendungsgebiete

Blick hinter die Kulissen
• Besuch beim IBM Q System One in Ehningen

Nutzen

Die Schulungsreihe Quantencomputing (QC) vermittelt fundierte Kenntnisse in Quantentechnologien und deren Programmierung, einen weitreichenden Überblick und konkrete Handlungsempfehlungen bezüglich der aktuellen Wettbewerbslandschaft, sowie erste Erfahrungen mit realen Quantencomputern wie dem »IBM Q System One« in Ehningen.

Seit 2021 steht mit dem IBM Q System One erstmalig ein leistungsfähiger Quantencomputer zur Verfügung, der sich in Ehningen bei Stuttgart und somit im europäischen Rechtsraum befindet. Dieser Computer wird exklusiv von der Fraunhofer-Gesellschaft und ihren Partnern genutzt. Anwender*innen können hiermit eigene Expertise in der Programmierung von IBM-Quantencomputern aufbauen. Applikationsspezifische Algorithmen können, u. a. auf Basis der Quanten-Software Entwicklungsumgebung »Qiskit«, entwickelt und getestet werden.

Der IBM-Quantencomputer in Ehningen bietet derzeit 27 Qubits und ein Quantenvolumen von 32 sowie verbesserte Fehlereigenschaften, wodurch Trainings von der essenziellen Algorithmik bis hin zu hybriden Softwarelösungen unter realistischen Bedingungen ermöglicht werden.

Das Team aus erfahrenen Fraunhofer-Expertinnen und -Experten betreut die interaktiven Schulungen, die Theorie und praktische Übungen zur Programmierung eines Quantencomputers miteinander verbinden. Im Praxisteil kommen leistungsfähige Simulatoren sowie der IBM-Quantencomputer in Ehningen zum Einsatz.

 

Zentrale Ziele des Schulungsprogramms:

Vermittlung fundierter Kenntnisse in Quantentechnologien und deren Programmierung sowie erste Erfahrungen mit realen Quantencomputern wie dem IBM Q System One in Ehningen (Grundlagenkurs Quantencomputing):

Angefangen bei den naturwissenschaftlichen Grundprinzipien der Physik, Informatik und Mathematik führt das Schulungsprogramm hin zur praxisnahen Implementierung fundamentaler Quantenalgorithmen sowohl auf der hauseigenen IAO/IAF-Simulationsumgebung als auch auf dem ersten unter deutschem bzw. europäischem Recht betriebenen Quantencomputer. Der Umgang und die Charakteristika dieses Quantensystems definieren einen zentralen Aspekt der Schulungsreihe und werden mittels interaktiver Workshops aus den Schulungsräumen der Fraunhofer-Institute IAO und IAF demonstriert.

Vertiefung von Spezialwissen im Quantenalgorithmik-Bereich (für Entwickler*innen):

Die Teilnehmenden erhalten einen Einblick in eine Vielzahl von Spezialthemen, etwa die (hybriden) Quantenalgorithmen HHL, QFT, QPE und QAOA. Diese werden in Form von einstündigen Webinaren bis hin zu Halbtagesseminaren vermittelt. Weiter werden die Konzepte Error-Mitigation, Quantum Machine Learning-, sowie Qiskit Pulse- oder Runtime-Methoden erläutert und diskutiert. Teilnehmende können bei den Vertiefungen und den Anwendungsgebieten ihre Interessen einbringen.

Vermittlung eines weitreichenden Überblicks und konkreter Handlungsempfehlungen hinsichtlich der aktuellen Wettbewerbslandschaft im Bereich Quantencomputing (für Projektmanager*innen):

Die Teilnehmenden lernen die unterschiedlichen QC-Hardware- und Software-Ansätze sowie deren Vor- bzw. Nachteile für ausgewählte Use Cases kennen. Dabei stehen insbesondere hybride QC-Infrastrukturen und deren cloudbasierte Nutzung im Fokus. Dies geschieht zum einen durch Webinare von Fraunhofer und Technologieanbietern als auch durch Gastbeiträge von bedeutenden nationalen Förderprojekten. Zentrales Ziel ist hierbei ein proaktiver Austausch der deutschen Quantencommunity sowie eine realistische Einschätzung der aktuellen Wettbewerbslandschaft und der perspektivischen Entwicklung des QC-Ökosystems.

Ergebnis

Durch die Vermittlung tiefgehender Kenntnisse im Bereich Quantencomputing zielt das hiesige Schulungsprogramm zum einen auf die Quantenausbildung von Entwickler*innen und Forschenden. Zum anderen adressieren spezifische Veranstaltungen des Schulungsprogramms auch Fragestellungen der Management-Ebene, u. a. im Bereich der aktuellen Trends und Marktentwicklungen.

Die Schulungsreihe beginnt in Kürze und wird im Dezember 2022 abgeschlossen. Die einzelnen Veranstaltungen finden dabei etwa im zweiwöchentlichen Turnus statt. Abhängig vom Lerninhalt umfassen Einzeltermine kurze, beispielsweise einstündige Webinare oder Halbtagesworkshops in Kleingruppen in den QC-Schulungsräumen am Fraunhofer IAO (Stuttgart) und Fraunhofer IAF (Freiburg). Die Schulungen sind nutzer- und interaktionszentriert und finden lokal oder virtuell statt. Dies ermöglicht es, mittels vorgegebener Aufgabenstellungen, erste Erfahrungen mit IBM-Quantencomputern zu sammeln oder vorhandene Expertise weiter auszubauen, indem eigene Anwendungsbeispiele eingebracht werden.

Ergänzend ist mit Unterstützung von IBM ein Vor-Ort-Besuch beim Quantencomputer in Ehningen geplant.

Ein Teil der angebotenen Netzwerk- und Austauschveranstaltungen wird für die Öffentlichkeit kostenlos zugänglich sein. Der überwiegende Teil des Schulungsprogramms ist kostenpflichtig und nur als Gesamtangebot buchbar.

Bei Interesse am Schulungsangebot senden Sie uns bitte Ihre Kontaktinformationen über die hier bereitgestellte Maske, sodass wir auf Sie mit einem individuellen Angebot zukommen können.

Haben Sie Interesse an unserem QC-Schulungsprogramm? Wir schicken Ihnen gerne nähere Informationen. Tragen Sie dazu unten Ihre E-Mail-Adresse und Daten ein.

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