REAL-LIFE' QUANTUM-SOFTWARE ENGINEERING: ENTWICKLUNG USE-CASE BASIERTER QUANTENALGORITHMEN - Oktober 2021, 14:35 - 14:55 Uhr Kongress ...

‚REAL-LIFE‘ QUANTUM-SOFTWARE ENGINEERING:
ENTWICKLUNG USE-CASE BASIERTER QUANTENALGORITHMEN

19. Oktober 2021, 14:35 – 14:55 Uhr
Kongress IT-Optionen für Versicherungen 2021 Dr. rer. nat. Christian Tutschku

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‚REAL-LIFE‘ QUANTUM-SOFTWARE ENGINEERING:
ENTWICKLUNG USE-CASE BASIERTER QUANTENALGORITHMEN

 Idee Quantencomputing & das IBM Q System One in Ehningen
 01 Eigenschaften, Zugang , Zeitskala

 Das Projektvorhaben SEQUOIA
 02 Software-Engineering industrieller, hybrider Quantenanwendungen und -algorithmen

 03 Kriterien für QC
 Anwendugnsgebiete
 Exemplarische
 Anwendungsfälle
 Umsetzung eines
 Minimalbeispiels

 04 Handlungsempfehlungen, Andwenderstudie und Schulungsprogramm

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Was ist Quantencomputing?
Funktionsweise eines klassischen Computers
 Bits & Bytes Computerchips

1 0 1 0 1 0

 42

 Transistoren Logikgatter

 OR NOR AND NAND

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Was ist Quantencomputing?
Funktionsweise eines Quantencomputers
 Qubits Quantengatter

 H 1

 U

 Superposition Verschränkung

 0 1

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Was ist Quantencomputing?
Quantenschaltkreise

 1 H 1 0
 0 H 0
 1 1 0
 1
 1 0
 0
 0 1
 0
 Quantenparallelismus 0 1
 1
 Alle Berechnungen finden 1 1
 Zeitgleich statt 1
 0 0
 0
 0 1
 Das gemessene Ergebnis wird zufällig aus der 1
 unterliegenden Wahrscheinlichkeitsverteilung 1
 ermittelt Mehrere Messprozesse nötig für
 aussagekräftige Resultate
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Was ist Quantencomputing?
Eine Frage der Wahrscheinlichkeit

 0
 0 25%
 0

 1 0
 0 0 50%
 1 1

 1
 1 25%
 1

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Technologie und Backends

 Ehningen
 IBM Q System One
 Fraunhofer Hub

 Freiburg
 Simulations Cluster
 Power9 Nvidia

 HLRS Uni Stuttgart
 Simulations Cluster
 AMD HPC System
 Quantum Systeme
 5 – 65 Qubit IBM
 IBM Q Network
 Benutzer

  End-To-End Betrieb in Deutschland

 Simulations Cluster
 Power9 Nvidia / AI
  Compliance mit deutschen und europäischen
 Gesetzen (DSGVO)
  Zugriff für deutsche Firmen möglich
  Aber: Amerikanische Hardware und Software
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IBM Q System One Ehningen Source:
 https://www.technologyreview.com/2016/05/04/160381
 /ibm-inches-ahead-of-google-in-race-for-quantum-
 computing-power

 Key Facts

  Verfügbar seit: Januar 2021
  Administration: Fraunhofer (Ticket System)
  Anzahl an Qubits 27 (Supraleitend)
  Quantenvolumen 32 (Hard- & Software)
  Kohärenzzeit ≈ 100 s ( 1 , 2 )
  Durchschnittliche Gatterzeit ≈ 450 ns
  Kohärenz- / Durch. Gatterzeit ≈ 200 (Gatter / , )
  Single-Qubit Gatterfehler ≈ 10−4 1 2
  CNOT - Gatterfehler ≈ 10−2
 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
 −2
  Auslesefehler ≈ 10
 13 14 15

 Quantenprozessor: Falcon r4 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

  Qubit Konnektivität durch Coupling Map gegeben 26 27

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SEQUOIA
Begriffsklärung Hybride

 Hybride Workflow: Arbeitsablauf, der aus
 mehreren Phasen besteht, deren Anteile
 sowohl auf klassischen als auch
 Quantencomputern ausgeführt werden.
 Hybrider Algorithmus: Rechenverfahren
 in dem sich iterativ quanten- und klassische
 Teilalgorithmen in einem Workflow bzw.
 einer Phase des Workflows abwechseln, um
 die Restriktionen des klassischen und des
 Quantencomputers zu umgehen.

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Was bisher geschah

 Idee eines IBM/Google
 universellen Roadmap zu 1
 Grover Erste Implemen- Kommerzieller Mio Qubits 2030
 Quanten-
Erste Vorschläge Algorithmus zur tierung Shor 53-Qubit
 computers, der
 für Quanten- Suche in Algorithmus auf Quanten-
 klassische Kommerzielle
 computer unstrukturierten 7-Qubit-Prozessor computer von
 Computer Quanten-Cloud
 Datenbänken (IBM & Stanford) IBM
 übertrifft (IBM, D-Wave,
 (D. Deutsch) Rigetti, …)

1980 1981 1985 1994 1996 1998 2001 2013 2019 2019 2020

 Richard Feynman Shor 2-Qubit- Quantum
 präsentiert Algorithmus D-Wave2: 512-
 Implemen- Supremacy
 Vision „Quanten zur Primzahl- Qubit Quanten-
 tierung Grover Paper von
 Computing“ faktorisierung Annealer
 Algorithmus Google

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Roadmap IBM

 2019 2020 2021 2022 2023 20xx

27 Qubits 65 Qubits 127 Qubits 433 Qubits 1121 Qubits
Falcon Hummingbird Eagle Osprey Condor

 > 1.000.000

Verbesserte Skalierbare Neuartiges Miniaturisieren Integration
Gitter Ausgabe Packaging &
 Kontrollen Quelle: IBM

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Das Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg
Die sechs Projektvorhaben

  SEQUOIA – Software-Engineering industrieller, hybrider
 Quantenanwendungen und -algorithmen (ca. 6 Mio. €)
  QC-4-BW – Entwicklung eines Diamant-basierten,
 spintronischen Quantenregisters für einen aufskalierbaren
 Quantenprozessor
  QORA – Quantenoptimierung mit resilienten Algorithmen
  EFFEKTIF –Stabilitätsanalyse und Fehlerkorrekturprotokolle für
 kritische Infrastrukturnetze

 Source: fraunhofer.de
  SiQuRe – Modellierung und Simulation von Qubit-Registern
 aus Ketten von NV-Zentren auf Versetzungen in Diamant
  QuESt – Materialdesign für elektrochemische Energiespeicher
 und -wandler mit innovativen Simulationstechniken
  Koordination: Fraunhofer IAO and Fraunhofer IAF.
  Erste Phase: Von 1.1.2021 bis 31.12.2022; ca. 19 Mio. €
  Gefördert von:

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SEQUOIA – Partner, Tasks und Definierte Ziele

 Netzwerk
 Unternehmens-

 Tasks und Ziele
Konsortium

 • UseCase (UC) Identifikation
 • Fraunhofer IAO
 • Demonstrieren von
 • Fraunhofer IPA ausgewählten Fokus UCs
 • Fraunhofer IAF • Entwicklung von
 • Universität Stuttgart IAAS Quantenalgorithmen
 • Universität Tübingen EKUT • Erstellen von high-level
 Bibliotheken
 • Forschungszentrum • Aufbau eines industriellen
 Informatik FZI QC-Netzwerkes
 • Höchstleistungsrechenzentr • Schulung von Unternehmen
 um Stuttgart HLRS • Realistische Potential-
 Einschätzungen
 • Identifikation von Bottlenecks

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Potentielle QC Anwendungsgebiete

  Energie  Finanzsektor
  Verteilung und Kontrolle von:  Portfolio- and Risikomodelle
  E-Mobil Ladestationen
  Windfarmen
  IT-Sicherheit
  Wasserstoffpipelines
  RSA Kryptografie
  Logistik  Informationstransfer via Teleportation
  Optimal Routenplanung
  Verkehr & Smart City Simulationen

  Produktion (Hybrider) Algorithmen-Pool
  Topologieoptimierung von Werkstücken Grover, Shor , HHL, QFT, QPE, VQE, QAOA, …
  Materialssimulation
  Optimierung von Produktionsketten

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Kriterien für Potentielle Use Cases

  Hochdimensionale Konfigurationsräume
 f(v1, v2, v3) = (¬v1 ∨ ¬v2 ∨ ¬v3) ∧ (v1 ∨ ¬v2 ∨ v3) ∧ (v1 ∨ v2 ∨ ¬v3)
  Tiefe neuronale Netze
 ∧ (v1 ∨ ¬v2 ∨ ¬v3) ∧ (¬v1 ∨ v2 ∨ v3)
  Hochgradig parallelisierte Algorithmen

  Echtzeit Auflösung
  Genauigkeits- oder Geschwindigkeitsvorteil

  Sicherheitsaspekte
  Post-Quanten-Kryptographie ist Bedrohung

  BQP ≠ NP
  Komplexität ist kein klares Kriterium

  Approximative Lösungen
  Variationelle Ansätze Source: https://qiskit.org/textbook/ch-applications/satisfiability-grover.html

  NISQ Maschinen and Algorithmen verfügbar

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Anwendungsfälle Optimierung ML/KI Lineare Algebra Simulation
Klassifizierung
 Planung u. Steuerung Modellierung & Simulation Qualitätsmanagement Engineering
 • Szenario-basierte Routen-planung zur
 Automotive Absicherung von Fahrfunktionen
 • Auftragssequenzierung • Modellvalidierung für • Produktqualitätssicherung • Design Space Exploration/Edge AI
 • Optimale Schachtelung von Blechteilen Produktkonfigurationen durch Identifizierung von
 • Numerische defekten Bauteilen
 Produktion u. • Formale Verifikation neuronaler Netze
 Strömungssimulation • Zusammensetzen einzelner
 Entwicklung • Parameteroptimierung für automatisierte
 • Nummerische Simulationen Bauteile zur Toleranz-
 Layout-Planung
 minimierung
 • Material Resource Planning • Prozesseffizienzsteigerung bei
 Tablettierung
 • Optimierung der Distributionskette von
 Medikamenten
 Infrastrukturmanagement/-gestaltung Logistik u. Versand Mobilität Sicherheit
 Produktion u. • Klassifikation mit Kernel-Methoden • Real-Time Supply Chain • IT/OT-Sicherheit
 Entwicklung • Platzierung von Arbeitsstationen Management • Anomalieerkennung
 Finanzen • Betrugserkennung
 Handel • Versandkartonagenauswahl
 Telekommuni- • Optimierung drahtloser Netzwerke
 kation
 Transport u. • Ressourcenoptimierung für Elektromobilität • Verkehrsfluss-optimierung
 Verkehr
 Immobilien- • Standortbewertung
 wirtschaft • Planung für Kabelverlegung

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Beispiel: Lösen eines Sudoku-Rätsels
 Was ist ein »Proof-of-Principle«?
 Lösung
 Reales Problem Skaliertes
 Problem

 Theorie

 Grover Algorithmus

 1 Quadrillion

 1 Trilliarde
 Implementierung
 klass. Computer
 1 Trillion
Rechenoperationen

 1 Billiarde

 1 Billion

 1 Milliarde
 Quantencomputer

 1 Million

 100 200 300

 Anzahl Ziffern

 Extrapolation Ergebnis
 https://qiskit.org/textbook/

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Quantencomputing: Der Weg in die industrielle Praxis

  Kapitel 1: Das Ökosystem Quantencomputing:
 State of the Art, Chancen und Roadmap
  Inhalte:
  Einleitung
  NISQ Ära, Potentiale und Bedrohungen, SEQUOIA
  Quantencomputer und Qubits
  Vom Bit zum Qubit, Superposition und Verschränkung
  Hardware Anbieter
  Technologien, Status und Roadmap
  Software Anbieter
  Entwicklungsumgebungen, Algorithmenübersicht und
 Bewertung sowie Beispielrechnungen

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Quantencomputing: Der Weg in die industrielle Praxis

  Kapitel 2: Der SEQUOIA Use Case Katalog
  Inhalte:
  Motivation und Zielsetzung
  Katalogerstellung
  Rahmenbedingungen und Auswahlkriterien
  Steckbriefkatalog
  Zweiseitige Steckbriefe mit Problembeschreibung,
 Quantenlösungen und Zukunftsprognose
  Auswertung der Anwendungsfälle
  Klassifizierung nach Branchen und mathematischen
 Problemstellungen, sowie QC-Herangehensweisen
  Roadmap und Marktanalyse

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Quantencomputing: Der Weg in die industrielle Praxis

  Kapitel 3: Der SEQUOIA Anwendungsbaukasten –
 Quantencomputing in der Praxis
  Inhalte:
  Quantum Software Engineering
  Hybride Workflows und Vorgehensmodelle
  Quantum Software Lifecycle
  Cloud Zugang und Lokale Simulatoren
  Der SEQUOIA Werkzeugkasten
  High-Level Entwickler API
  Beispiel anhand eines Use Cases

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Handlungsempfehlungen für Unternehmen

 Was können Sie heute tun um für die QC-Revolution von Morgen bereit zu sein?

 1. Informieren 2. Bewerten
  Prinzipien des QC verstehen  State-of-the Art verstehen
  Entwicklungen beobachten  Potenzial von QC abschätzen
  Einführende Webinare besuchen  Vertiefende Webinare besuchen
  Nachrichten lesen (Blogs, News, …)  Pilotanwendungen verfolgen
 Schwerpunkt bisher in SEQUOIA-Veranstaltungen SEQUOIA-Studie »Quantencomputing für Unternehmen«

 3. Qualifizieren 4. Einsetzen
  Quantenalgorithmen verstehen  Quantenlösungen integrieren
  Vorteile/Grenzen von QC verstehen  Eigene QC-Programme schreiben
  Schulungen besuchen  Simulatoren einsetzen
  Wissenschaftl. Publikationen lesen  Zugriff auf echten QC (Ehningen)

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Schulungsreihe
Quantencomputing 21 / 22
 IAF

Die Schulungsreihe 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.
Zielgruppe: Wissenschaftler, Entwickler, Technologiescouts und Projektmanager (m/w/d)
Umfang: Einjähriges Programm mit einstündigen Webinaren sowie Halbtagesworkshops (IAO/IAF)

Wissenschaftliche Grundlagen QC-Hardware und Softwarelandschaft Netzwerk- und Austausch-Plattform
• Konzept Quantenmechanik • Technische Realisierungen Vorstellung der
• Lineare Algebra • Anbieter und deren SDKs • Landes- und Bundesprojekte
• Python Crashkurs • Stand der Technik und Zukunftsprognose • Hardware und Software Anbieter
 • Industriellen Anwendungsgebiete
Einführung Quantencomputing Quantenalgorithmen
• Qubits, Schaltkreise und Messprozesse • Variationelle und hybride Ansätze
• Programmierung mit Qiskit • Fehlermitigation Öffentliches Angebot

 Anmeldungen per E-Mail: Weitere Informationen unter:
 christian.tutschku@iao.fraunhofer.de https://s.fhg.de/SchulungQC

»DigitalDialoge« Quantencomputing

 »Quantencomputing: Mythos und Realität«
© WEISER DESIGN

 2ter November 2021 -- 10:00 - 11:00 Uhr

 »Post-Quanten-Kryptographie«
Quelle: pixabay.de

 26ter Oktober 2021 -- 10:00 - 11:00 Uhr
 © Fraunhofer IAO

 »Quantencomputing lernen, wo fange ich an?«
 21ter Oktober 2021 -- 10:00 - 11:00 Uhr

  Teilnahme kostenlos
  Anmeldung unter https://s.fhg.de/Veranstaltungen2021QC

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Ihr Kontakt
Kontaktieren Sie uns gerne bei …

 Fragen (Technischer oder Projektnatur)
 Anregungen zu Projektideen Dr. rer. nat. Christian Tutschku
 christian.tutschku@iao.fraunhofer.de
 Lösungsvorschlägen zur Ihren
 konventionellen Bottlenecks
 …

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