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-11, Fujitsu DAU, D-Wave Advantage. In Kooperation mit namhaften Partnern aus der Industrie werden Aufgabenstellungen mit starker Relevanz für praktische Anwendungen vergeben. 24 Studierende haben in Gruppen die Möglichkeit, je eine Aufgabenstellung auf verschiedenen Rechnern auszuführen und zu vergleichen. Das Praktikum schließt mit einer Präsentation der Ergebnisse vor unseren Industriepartnern ab.

Diese Veranstaltung findet in Kooperation mit dem BMWK geförderten Projekt QCHALLenge 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 (Achtung: Um festzustellen in wie fern diese in Ihrem Studiengang voll angerechnet werden können, ist beim Prüfungsamt zu erfragen. In der Vergangenheit war eine volle Anrechnung für den o.g. Hörerkreis allerdings stets möglich.)

Termin(e)

  • Termine: dienstags und donnerstags, 14:00 Uhr st. bis 16:30 Uhr
    Ort: TBD
  • Kickoff des Praxisteils: Donnerstag der 9.5.2023, 14 - 16 Uhr, "Kaminabend" | öffentlich
    Ort: TBD
  • Abschlussveranstaltung und Prüfung: Dienstag der 25.7.2023, 14- 16 Uhr, "Marktplatz"
    Ort: TBD

Betreuer

Jonas Stein
Elena Van der Vorst

Prüfung

Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien

Prüfungsform: Präsentation und Projekt-Abgabe.

Aktuelles

  • 17.01.2023: Die Seite zu dieser Veranstaltung ist ab sofort online.

Inhalt des Praktikums

Quantencomputing ermöglicht effizientere Ansätze zur Lösung zentraler Probleme der Informatik durch die Nutzung quantenmechanischer Effekte. Mit der zunehmenden Größe und Qualität aktueller Quantencomputer ist es bereits heute möglich diesen Quantenvorteil in der Praxis nachzuweisen. Die Herausforderung besteht im Allgemeinen darin mit den im Quantencomputing zusätzlich zur Verfügung stehenden algorithmischen Bausteinen Lösungsverfahren zu entwickeln, die einen anwendungsrelevanten Quantenvorteil ermöglichen.

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 Praxisphase (startend ab der vierten Woche) in Gruppen an jeweils einer Aufgabenstallung gearbeitet wird. Die Gruppeneinteilung und Themenvergabe findet voraussichtlich Ende der 3. Semesterwoche statt. Im Rahmen der Projektphase wird pro Gruppe eine ca. zehnseitige wissenschaftliche Arbeit erstellt, die insbesondere die eigene Methodik und erzielte Ergebnisse beinhaltet.

Die Anwesenheit bei den fett markierten Veranstaltungen ist verpflichtend!

Dienstag Donnerstag
Theoriephase
KW16 18.04.23 Introduction 20.04.23 Basics of Quantum Computing
KW17 25.04.23 Basic Quantum Algorithms 27.04.23 Adiabatic Quantum Computing
KW18 02.05.23 Approximate Quantum Optimization 04.05.23 Exact Quantum Optimization
Praxisphase
KW19 09.05.23 "Kaminabend" mit

Impulsvorträgen

aus der Wirtschaft

11.05.23 Fragestunde
KW20 16.05.23 Präsentationen Projektfortschritt 18.05.23 Feiertag
KW21 23.05.23 Fragestunde 25.05.23 Präsentationen Projektfortschritt
KW22 30.05.23 Fragestunde 01.06.23 Präsentationen Projektfortschritt
KW23 06.06.23 Fragestunde 08.06.23 Feiertag
KW24 13.06.23 Präsentationen Projektfortschritt 15.06.23 Fragestunde
KW25 20.06.23 Präsentationen Projektfortschritt 22.06.23 Fragestunde
KW26 27.06.23 Präsentationen Projektfortschritt 29.06.23 Fragestunde
KW27 04.07.23 Präsentationen Projektfortschritt 06.07.23 Fragestunde
KW28 11.07.23 Präsentationen Projektfortschritt 13.07.23 Fragestunde
16. Juli: Abgabe Schriftliche Ausarbeitung & Management Summary
KW29 18.07.23 Präsentation Konzept für Marktplatz 20.07.23 Präsentation eingearbeiteter Verbesserungs- vorgschläge
KW30 25.07.23 "Markplatz", Abschlussprüfung
 

Anmeldung

Die Bewerbung für das Praktikum findet zentral via Uni2Work statt sobald die Zentralanmeldung verfügbar ist: https://uni2work.ifi.lmu.de/course/S23/IfI/QCP

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

  • Bewerbungen die nach dem 10.04.2023 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 21. April 2023 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, Übungsblätter und zugehörige Lösungen werden über Uni2Work zur Verfügung gestellt. Es findet keine Korrektur oder Besprechung der Übungsaufgaben statt, Nachfragen bitte direkt an die Betreuer stellen.

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.