Praktikum Quantum Computing Programmierung – Eine QC Optimization Challenge am QAR-Lab

Kurzbeschreibung

Dieses Praktikum vermittelt die Fähigkeit, Optimierungsprobleme für Quantencomputer zu modellieren, sowie einen Einstieg in die praktische Arbeit mit existierenden Quantencomputern. Dafür stehen im QAR-Lab derzeit vier Rechner zur Verfügung: IBM Q System One, Rigetti Aspen-8, Fujitsu DAU, D-Wave Advantage. In Kooperation mit namhaften Partnern aus der Industrie (angefragt) werden Aufgabenstellungen mit starker Relevanz für praktische Anwendungen vergeben. 24 Studierende haben in vier Gruppen à sechs Studierenden die Möglichkeit, je eine Aufgabenstellung auf zwei Rechnern auszuführen und zu vergleichen. Das Praktikum schließt mit einer Präsentation der Ergebnisse vor unseren Industriepartnern ab.

Diese Veranstaltung findet in Kooperation mit dem Projekt PlanQK und dem QAR-Lab Bayern statt.

Veranstalter

Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien

Für alle Fragen bzgl. Verlauf und Anmeldung melden Sie sich bitte bei jonas.stein@ifi.lmu.de.

Hörerkreis

Studierende der Informatik und Medieninformatik im Hauptstudium,
Bachelorstudiengänge Informatik und Medieninformatik,
Masterstudiengänge Informatik und Medieninformatik

Umfang

6 SWS zzgl. Heimarbeit (v.a. in der Projektphase) (siehe Einschränkungen DHP)

12 ECTS

Termin(e)

  • Termine: wöchentlich, dienstags um 14:00-16:15 Uhr s.t. & donnerstags um 14:00-16:15 Uhr s.t.
    Ort: Remote via Zoom, Einwahldaten über Uni2Work einsehbar
  • Am 6. Mai, "Kaminabend" | 17:00 - 20:00 Uhr | öffentlich
    Ort: Remote via Zoom, Direkteinstieg über folgenden Link
  • Am 15. Juli Beginn um 17 Uhr st., statt um 14 Uhr, siehe "Marktplatz"
    Ort: Remote via Zoom, Einwahldaten über Uni2Work einsehbar
  • Abschlussveranstaltung:
    Donnerstag, 15. Juli 17:00-19:15 Uhr s.t.

Betreuer

Jonas Stein
Sebastian Zielinski
Thomas Gabor
Michael Kölle

Prüfung

Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien

Prüfungsform: Präsenz-Präsentation und Projekt-Abgabe, sofern die Corona-Situation dies zum Zeitpunkt der Prüfung zulässt.

Aktuelles

  • 14.05.2021: Veröffentlichung der Vorlesungsaufzeichnungen für Studierende der LMU via LMU Cast
  • 03.05.2021: Veröffentlichung des aktualisierten Programms zum Abaluf des Kaminabends:
    • 17:00 – 17:15 Uhr
      Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien
      Begrüßung
    • 17:15 – 17:30 Uhr
      Dr. Markus Hoffmann, Google
      Quantum Computing at Google
    • 17:30 – 17:50 Uhr
      Dr. Astrid Niederle, BASF
      Job Shop Scheduling
    • 17:50 – 18:10 Uhr
      Lukas Müller, BMW
      Pre-Production Vehicle Configuration
    • 18:10 – 18:30 Uhr
      Thomas Engelmann, SAP
      Beverage Delivery
    • 18:30 – 18:50 Uhr
      Dr. Christoph Niedermeier, Siemens
      Quedge
    • 18:50 – 19:10 Uhr
      Frederick Struckmeier, TRUMPF
      Produktionsplanung in der Blechfertigung
    • 19:10 – 19:30 Uhr
      Verabschiedung der Gäste


      Im Anschluss:
      (für QC-Praktikumsteilnehmer und Industriepartner)

    • 19:30 – 20:00 Uhr
      Vorstellung der studentischen Teams vor den Industriepartnern
  • 22.04.2021: Veröffentlichung der Einwahldaten zum öffentlichen Kaminabend.
  • 20.04.2021: Veröffentlichung folgender Übersicht zum "Kaminabend":
  • 08.04.2021: Die Einwahldaten für alle Veranstaltungen sind ab sofort über Uni2Work (unter Materialien) einsehbar
  • 02.04.2021: Die Bewerbung auf potentielle Nachrückplätze ist noch bis zum 19. April möglich
  • 15.03.2021: Dieses Praktikum ist nun Teil des Schwerpunkts Mobile App Development
  • 03.03.2021: Veröffentlichung folgender Übersicht zum Praktikum

  • 02.03.2021: Die Seite zu dieser Veranstaltung ist ab sofort online.

 

Inhalt des Praktikums

Quantencomputing ermöglicht effizientere Ansätze zur Lösung zentraler Probleme der Informatik durch die Nutzbarmachung quantenmechanischer Effekte. Mit der zunehmenden Größe und Qualität realisierter Quantencomputer ist es bereits heute möglich diese Quantenüberlegenheit in der Praxis nachzuweisen. Dabei besteht die Herausforderung darin Problemstellungen so zu formulieren, dass sie von Quantencomputern verarbeitet werden können. Dies bedarf einer Herangehensweise, die sich deutlich von klassischen unterscheidet und erfordert Grundkenntnisse der Quantenmechanik.

Dieses Praktikum stellt eine Einführung in den anwendungsorientierten Einsatz von Quantencomputing dar. Hierbei werden Ansätze aus dem Bereich Quantenoptimierung zur Lösung praxisrelevanter Probleme konzipiert, implementiert und analysiert. Dabei kommt „echte“ Quantenhardware der Hersteller IBM, Rigetti, Fujitsu und D-Wave Systems zu Einsatz.

Eine Auswahl der behandelten Themen lautet:

  • Grundlagen des Quantencomputings
  • Mathematische Modellierung
  • Optimierung
  • Quantum Annealing
  • Quantenoptimierungsalgorithmen
  • Einführung in verschiedene QC-Plattform SDKs

Ablauf

Das Praktikum gliedert sich in zwei Phasen: In der dreiwöchigen Theoriephase werden Grundlagenkenntnisse vermittelt, während in der Projektphase (startend ab der vierten Woche) in Gruppen à sechs Studierenden an jeweils einem Projekt gearbeitet wird. Die Gruppeneinteilung und Themenvergabe findet beim Kickoff am 4. Mai statt. Im Rahmen der Projektphase wird pro Gruppe eine ca. zehnseitige wissenschaftliche Arbeit erstellt, die insbesondere die eigene Methodik und erzielte Ergebnisse beinhaltet.

 

Dienstag Donnerstag
Theoriephase
KW15 13.04.21 Einführung 15.04.21 Grundlagen des Quantencomputings
KW16 20.04.21 Quantenalgorithmen 22.04.21 Adiabatisches Quantencomputing
KW17 27.04.21 Programmierung von

Quantenannealern

29.04.21 Quantenoptimierung
Projektphase
KW18 04.05.21 Kickoff Projektphase 06.05.21 "Kaminabend" mit

Impulsvorträgen

aus der Wirtschaft

KW19 11.05.21 Projektfortschritts-

besprechung

13.05.21 Feiertag
KW20 18.05.21 Projektfortschritts-

besprechung

20.05.21 Fragestunde
KW21 25.05.21 Vorlesungsfrei
27.05.21 Projektfortschritts-

besprechung

KW22 01.06.21 Fragestunde 03.06.21 Feiertag
KW23 08.06.21 Fragestunde 10.06.21 Projektfortschritts-

besprechung

KW24 15.06.21 Fragestunde 17.06.21 Zwischenpräsentation
KW25 22.06.21 Fragestunde 24.06.21 Projektfortschritts-

besprechung

KW26 29.06.21 Fragestunde 01.07.21 Projektfortschritts-

besprechung

4. Juli: Abgabe Schriftliche Ausarbeitung
KW27 06.07.21 Vorprüfung 08.07.21 Präsentation Konzept für Marktplatz
KW28 13.07.21 Generalprobe Marktplatz 15.07.21 "Markplatz", Abschlussprüfung

 

Anmeldung

Die Bewerbung für das Praktikum findet zentral via Uni2Work statt: https://uni2work.ifi.lmu.de/course/S21/IfI/QCP

Für Studierende ohne Zugang zu Uni2Work (also z.B. Studierende anderer Universitäten) ist eine Bewerbung per E-Mail an Jonas Stein möglich. Dabei sind folgende Punkte zur Bewerbung zu beachten:

  • Bewerbungen die nach dem 21.03.2021 23:59 Uhr eingehen, sind lediglich für das Nachrückverfahren relevant
  • Im Rahmen der Bewerbung soll die eigene Motivation für dieses Praktikum dargelegt werden. Hierbei soll auch auf mögliche Vorkenntnisse eingegangen werden.
  • Konkret sollen folgende Fragen beantwortet werden:
    • Warum interessieren Sie sich für QC?
    • Was bzw. wie können Sie Ihrer Einschätzung nach zum Erfolg der Projekte im Praktikum beitragen?
  • Folgende Vorkenntnisse werden im Kontext der Bewerbung besonders berücksichtigt: Quantencomputing, Optimierung, Lineare Algebra, Programmierung mit Python.
  • Die Einreichung eines aktuellen Transcripts of Records ist obligatorisch.

Die Teilnahme am Praktikum ist nach dem 16. April 2021 um 23:59 Uhr verbindlich. Danach wird das Praktikum bei Abbruch mit einer 5,0 bewertet und es gibt einen Malus bei Bewerbung auf zukünftige Praktika.

Material / Literatur

Folien und Übungsblätter werden über Uni2Work zur Verfügung gestellt.

Literatur

Als Begleitliteratur werden die folgenden Bücher empfohlen:

Disclaimer

Sehr viele Lehrveranstaltungen finden während der Schließung der LMU online statt. Als Dozenten bitten wir um Nachsicht, falls Dinge nicht immer perfekt laufen und hoffen auf Ihre konstruktive Mitarbeit. In dieser Situation gelten zudem online einige Regeln, die im realen Leben ohnehin klar wären, auf die wir hier aber explizit hinweisen möchten:

  • In Live-Veranstaltungen bitten wir um einen disziplinierten Umgang mit Audio (normalerweise aus) und Bandbreite (Video nach Bedarf)
  • Die Aufzeichnung oder Weiterleitung von Veranstaltungen durch Teilnehmer sind nicht erlaubt.
  • Die Verteilung von Inhalten (Video, Audio, Bilder, PDFs, etc.) in anderen Kanälen als den vom Autor vorgesehenen ist nicht erlaubt.

Wer eine dieser Regeln verletzt, muss damit rechnen, von der fraglichen Veranstaltung ausgeschlossen zu werden und wir behalten uns weitere Schritte vor.