Развитие гибридных вычислительных систем в Германии
В последние годы за рубежом активно ведутся работы в области развития гибридных вычислительных систем. Этот термин, в современном контексте, прежде всего, подразумевает тесную интеграцию квантовых компьютеров (quantum computers) с классическими суперкомпьютерами (high-performance computing, HPC). Суть гибридного подхода заключается в распределении вычислительной нагрузки между двумя принципиально разными архитектурами, с целью повышения общей эффективности вычислительных систем. Такое объединение позволяет решать сложные научные и промышленные задачи, которые недоступны для систем, использующих только один из этих подходов.
Развитие гибридных вычислений в Германии является частью целенаправленной государственной политики, направленной на укрепление технологического суверенитета страны. Так, в октябре 2025 года правительство ФРГ запустило программу «Высокотехнологичная повестка дня для Германии» (High-Tech Agenda Germany, HTAD), основной фокус которой сосредоточен на шести ключевых технологиях, включая квантовые и искусственный интеллект (ИИ).
Кроме того, развитие гибридных высокопроизводительных вычислительных систем в стране стали возможны благодаря реализации масштабных проектов на базе ведущих исследовательских институтов, таких как Юлихский исследовательский центр (Forschungszentrum Jülich, FZJ), г. Юлих и суперкомпьютерный центр Лейбница Баварской академии наук (Leibniz-Rechenzentrum, LRZ), расположенный в кампусе Гархинг недалеко от г. Мюнхена.
Так, в ходе реализации проекта по развитию квантовых компьютеров для экзафлопсных систем высокопроизводительных вычислений (European Quantum Computing for Exascale-HPC, Euro-Q-Exa) в рамках программы Digital Europe, в суперкомпьютерном центре LRZ установлено несколько таких комплексов:
· на основе сверхпроводящих кубитов – разработан консорциумом
Q-Exa, в который входят разработчик квантовых платформ IQM Quantum Computers (IQM), а также французская компания Eviden и немецкая фирма HQS Quantum Simulation. Представляет собой гибридную систему, интегрированную непосредственно в экзафлопсную (exascale) вычислительную среду LRZ. На первом этапе был введен в строй
20-кубитный сверхпроводящий процессор, работающий в связке с суперкомпьютером SuperMUC-NG. В планах запуск 150-кубитной системы к концу 2026 года. Проект софинансируется EuroHPC JU, Федеральным министерством исследований, технологий и космоса Германии (Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt, BMFTR) и правительством Баварии.
· на основе ионной ловушки – 20-кубитный квантовый компьютер, который был установлен австрийской фирмой AQT в конце 2024 года. Его особенностью является то, он не требует сложной инфраструктуры охлаждения или электропитания.
· на нейтральных атомах – в рамках проекта «Многоядерная атомная квантовая вычислительная система» (Multicore Atomic Quantum Computing System, MAQCS) немецкий стартап Planqc в настоящее время разрабатывает квантовый компьютер на основе нейтральных атомов, который сможет выполнять вычисления с использованием 1000 кубитов. Основанный на инновационной многоядерной архитектуре, он предназначен для интеграции в качестве сопроцессора в среду высокопроизводительных вычислений центра обработки данных Лейбница.
Следует отметить, что LRZ расширяет свой портфель услуг, включив в него гибридные квантово-классические вычислительные сервисы, чтобы сделать их доступными для пользователей. С этой целью был запущен проект Quantum User Study (QUS), направленный на изучение возможностей и практических аспектов интеграции квантовых вычислений в среду высокопроизводительных вычислений (HPC). В рамках QUS исследователи работают над разработкой и тестированием гибридных квантово-классических алгоритмов и приложений в таких областях, как разработка новых материалов, фармакология, климатическое моделирование, оптимизация логистических процессов и кибербезопасность. Ключевая идея – объединить сильные стороны квантовых компьютеров (эффективность в решении определённых задач) с мощностями суперкомпьютеров.
Для реализации этого подхода в LRZ создан Мюнхенский квантовый программный стек (MQSS) – открытый инструментарий, который упрощает встраивание квантовых вычислений в рабочие процессы классических суперкомпьютеров. Также в центре установлен Atos Quantum Learning Machine (Atos QLM) – один из самых производительных коммерческих симуляторов квантовых систем.
Юлихский исследовательский центр (FZJ) в рамках другого масштабного европейского проекта – HPCQS (High-Performance Computing & Quantum Simulator hybrid) провел работы по интеграции 100-кубитного квантового процессора «Jade» французской компании Pasqal в свой модульный вычислительный кластер JURECA DC, что позволило создать платформу для разработки гибридных HPC-приложений.
В сентябре 2025 года FZJ стал первым в мире центром HPC, развернувшим систему NVIDIA DGX Quantum*, одноименной американской компании, которая объединила графический процессор (GPU) и квантовый контроллер в единый аппаратно-программный комплекс. Эта система объединяет суперчип NVIDIA Grace Hopper с гибридным контроллером Quantum Machines OPX1000, создавая бесшовную интеграцию классических и квантовых вычислений.
*Справочно
Основные компоненты и особенности NVIDIA DGX Quantum:
· NVIDIA Grace Hopper Superchip – суперчип, который объединяет высокопроизводительный графический процессор и процессор Grace. Предназначен для масштабных приложений в области ИИ и высокопроизводительных вычислений (HPC), обеспечивает до 10 раз более высокую производительность при обработке терабайт данных.
· Quantum Machines OPX1000 (или OPX+ в ранних версиях) – универсальная система управления квантовым процессором. Позволяет интегрировать классические вычислительные механизмы в стек квантового управления, чтобы максимизировать производительность любого QPU и открыть новые возможности в квантовых алгоритмах.
· PCIe Gen5 – высокоскоростная шина, которая обеспечивает субмикросекундную задержку между GPU и квантовым процессором (QPU).
· CUDA-Q (CUDA Quantum) – открытая модель программирования и набор инструментов компилятора, который позволяет высокопроизводительное совместное программирование центральных процессоров (CPU), графических (GPU) и квантовых (QPU).
Возможности системы:
· Ускорение квантовой коррекции ошибок (QEC), калибровки и контроля. DGX Quantum позволяет ускорять ключевые рабочие нагрузки, такие как квантовая коррекция ошибок, в рамках времени когерентности QPU.
· Создание квантово-ускоренных суперкомпьютеров. Система масштабируется в зависимости от потребностей в квантовых и классических вычислениях – от нескольких кубитов до суперкомпьютера с квантовым ускорением.
· Поддержка различных типов квантовых процессоров. Благодаря интеграции OPX1000 с Grace Hopper система может ускорять любые типы квантовых процессоров.
· Интеграция с классическими вычислительными ресурсами. Узлы DGX Quantum можно подключать к классическим узлам вплоть до полноценного суперкомпьютера.
DGX Quantum заложила базовые элементы архитектуры NVQLink – открытой архитектуры для интеграции квантовых процессоров с ИИ-суперкомпьютерами. NVQLink призвана стать стандартным решением для создания гибридных квантово-классических суперкомпьютеров.
В ноябре 2025 года исследователи FZJ совместно с NVIDIA установили мировой рекорд, впервые выполнив полное моделирование 50-кубитного универсального квантового компьютера на суперкомпьютере JUPITER. Симулятор, получивший название JUQCS-50, воспроизводит физику квантового процессора с высокой точностью. Каждый квантовый вентиль обрабатывает более двух квадриллионов комплексных чисел, распределенных по тысячам узлов, что ранее делало такие расчёты практически невозможными. JUQCS-50 применяет гибридную архитектуру памяти, временно выгружая данные с графических процессоров в память центрального процессора без существенной потери скорости. Новая система сжатия байтов уменьшает потребление памяти в восемь раз, а динамическая оптимизация потоков данных обеспечивает синхронизацию между более чем 16000 суперчипов, что критично для моделирования сложных квантовых цепей.
Наряду с государственными центрами, развитием гибридных вычислений в Германии активно занимаются частные компании, в частности:
• QMware AG (г. Мюнхен), специализируется на облачных гибридных квантовых вычислениях. Предприятие предоставляет доступ к уникальной гибридной квантовой инфраструктуре через модель «Инфраструктура-как-услуга» (IaaS), объединяя классические суперкомпьютеры и виртуальные квантовые процессоры.
• Институт прикладной физики Фраунгофера (Fraunhofer IAF). В организации запущена в эксплуатацию система QB-QDK2.0* – уникальный квантовый ускоритель от австралийской компании Quantum Brilliance.
*Справочно
Некоторые особенности системы QB-QDK2.0:
- работает при комнатной температуре и не требует сложных систем охлаждения, что отличает её от большинства квантовых компьютеров;
- использует NV-центры в искусственных алмазах в качестве кубитов. Атомы азота в углеродной структуре алмаза служат «кирпичиками» квантовых вычислений, они устойчивы к помехам, долго сохраняют информацию и не требуют охлаждения;
- позволяет эффективно выполнять гибридные квантово-классические вычисления. Это особенно полезно в задачах машинного обучения и оптимизации.
Система может тестировать новые квантовые программы, проводить симуляции и решать сложные задачи быстрее традиционных компьютеров.
Стоит также отметить, что в ФРГ ведутся работы и в смежных областях. Так, Институт фотонных микросистем Фраунгофера (Fraunhofer IPMS) в рамках проекта HyDRA, разрабатывает гибридные ускорители искусственного интеллекта (ИИ) для нейроморфных вычислений. Они сочетают в себе преимущества аналоговых вычислительных ядер с оптимизированными цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) и аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Учитывая растущие требования к обработке данных с помощью ИИ в современных технологиях, проект направлен на создание эффективной и масштабируемой архитектуры, которая обеспечит бесшовную интеграцию в цифровые системы.
Грайфсвальдский университет (Universität Greifswald) занимается разработкой гибридных оптоэлектрических методов возбуждения магнитных туннельных переходов (Magnetic Tunnel Junctions, MTJs). Системы, построенные на их основе, могут стать основой для создания гибких и энергоэффективных нейроморфных вычислительных платформ нового поколения.
Отдельно стоит подчеркнуть, что немецкие ученые также разрабатывают различные типы гибридных алгоритмов. Так, проект QIAPO* (запущен в январе 2026 г. сроком на три года) использует квантовые компьютеры на нейтральных атомах для упрощения крупномасштабных логистических и производственных задач перед их обработкой классическими алгоритмами.
*Справочно
QIAPO – исследовательский проект под руководством Саарского университета (Universität des Saarlandes) направлен на объединение возможностей квантовых и классических компьютеров для более эффективного решения сложных оптимизационных задач в промышленности. Помимо Саарского университета, в проекте участвуют такие промышленные партнеры, как BMW, Infineon и стартап по разработке квантовых компьютеров Planqc.
Основная цель проекта – преобразовать реальные производственные задачи, например, в сфере автомобилестроения или производства полупроводников, в квантовые алгоритмы и протестировать их на практике.
В рамках проекта QIAPO квантовый компьютер выполняет подготовительную функцию: он упрощает решение очень сложных задач до такой степени, что классические компьютеры могут обрабатывать их более эффективно.
Гибридные алгоритмы в целом позволяют преодолевать ограничения малых квантовых систем (NISQ – noisy intermediate-scale quantum) за счёт комбинации квантовых и классических вычислений. Классические компьютеры могут использоваться для подготовки данных, поиска параметров для вариационных алгоритмов или формирования подзадач с использованием методов декомпозиции.
Институт технической и экономической математики Фраунгофера (Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik, ITWM) и Институт открытых коммуникационных систем Фраунгофера (Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme, FOKUS) разработали платформу EniQmA* для разработки квантового программного обеспечения, которая унифицирует процесс разработки, а также развертывания и эксплуатации гибридных квантово-классических приложений. EniQmA связывает гибкие рабочие процессы с цепочками инструментов для конкретных областей применения, а также с практиками квантового DevOps, что позволяет объединять теоретические квантовые алгоритмы с масштабируемыми промышленными приложениями. Платформа предлагает структурированные модели процессов, стандарты качества и согласованные инструменты разработки для создания надежного и устойчивого квантового программного обеспечения.
- Справочно
EniQmA – это важный первый шаг на пути к стандартизации разработки квантового программного обеспечения, который ускорит переход к практическому использованию квантовых технологий в промышленности.
Благодаря возможностям технологий low-code/no-code платформа EniQmA делает разработку квантовых приложений доступной для экспертов в предметной области, обладающих минимальными знаниями в области квантовых технологий, а также позволяет специалистам применять передовые подходы в квантовых вычислениях. Эта система представлена в трех реальных промышленных сценариях: обеспечение экологичности в авиастроении, обнаружение аномалий в производстве, а также в сфере железнодорожных перевозок.
Технический университет Брауншвейга (Technical University Braunschweig) в 2025 году завершил исследовательский проект ProvideQ, который был сосредоточен на разработке, интеграции и оценке квантовых и гибридных алгоритмов для конкретных промышленных задач, в частности в области логистики и производства. Результаты теоретической работы были реализованы в виде открытого программного пакета ProvideQ Toolbox* – модульной интеграционной платформы для классических, квантовых и гибридных методов оптимизации. Цель инструментария – предоставить гибкую среду, в которой можно систематически комбинировать и оценивать различные алгоритмические подходы, используя концепцию plug-and-play, которая обеспечивает бесшовную интеграцию решателей, алгоритмов и подпрограмм.
Технологический институт Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology) предоставляет общедоступную версию набора инструментов ProvideQ Toolbox.
*Справочно
Ключевым компонентом набора инструментов стала логика метарешателя, которая рассматривает задачи оптимизации как совокупность множества подзадач. В зависимости от структуры задачи, подхода к моделированию и требований к решению можно использовать классические решатели, квантовые подпрограммы или гибридные методы. Такой подход позволяет сочетать классические методы оптимизации с экспериментальными квантовыми методами. В частности, была разработана гибридная стратегия метарешения, которая успешно разбивает задачи на подзадачи, которые затем решаются с помощью соответствующих алгоритмических подходов. Стратегии метарешателей оказались подходящим концептуальным инструментом для реального внедрения квантовых алгоритмов в существующие процессы оптимизации.
Несмотря на значительные успехи, развитие гибридных систем в ФРГ сталкивается с рядом трудностей:
· Технические сложности – несовместимость систем (в т.ч. старого оборудования с новыми платформами), проблемы интеграции устройств и систем с разными стандартами, а также необходимость постоянного обновления инфраструктуры под растущий объём данных и новые задачи.
· Вопросы кибербезопасности: гибридные системы уязвимы для атак, поэтому защита данных и недопущение несанкционированного доступа к управлению критическими объектами – постоянная задача регуляторов и компаний.
· Программный стек для гибридных вычислений все еще находится в стадии становления. Не хватает инструментов для легкого объединения классических и квантовых вычислительных шагов в рамках одного приложения.
· Разработка алгоритмов, которые эффективно используют преимущества обоих типов вычислений, остается нетривиальной задачей. Ученые активно работают над адаптацией известных методов (например, регрессии гауссовских процессов) для работы в новой парадигме.
· Сложности с оценкой эффективности: традиционные метрики не всегда применимы, поэтому требуется поиск новых подходов к измерению результатов гибридных решений.
· Организационные и кадровые вызовы: дефицит специалистов, сочетающих понимание гибридных подходов и технологических основ, а также необходимость перестройки рабочих процессов.
Таким образом, Германия системно развивает гибридные вычислительные системы, делая упор на следующих направлениях:
· стратегическое планирование – согласованные госпрограммы (например, «High Performance Computing 2030») с распределением ролей между наукой, бизнесом и государством;
· междисциплинарность – объединение компетенций из IT, математики, электротехники, нейронаук и кибернетики для нестандартных решений;
· практическая реализация – развитие ускорителей, адаптации ПО и виртуализации для работоспособности гибридных систем;
· интеграция в ИТ-инфраструктуру – обеспечение интероперабельности и масштабируемости систем;
· финансирование инноваций – поддержка исследований и внедрения через гос- и частные фонды.
Благодаря работе ведущих национальных центров (LRZ, FZJ), активному международному сотрудничеству в рамках инициатив EuroHPC, а также растущей экосистеме частных стартапов, страна занимает позицию одного из мировых лидеров в этой высокотехнологичной гонке. Основной фокус смещается от создания отдельных демонстрационных образцов к разработке прикладных алгоритмов и выстраиванию целостной программно-аппаратной экосистемы. Это позволяет прогнозировать дальнейшее ускорение научно-технического прогресса и появление первых практически значимых результатов от внедрения гибридных квантово-классических систем уже в обозримом будущем.