Phoenix macht Supercomputer schneller
Paderborner Forschende entwickeln neues Open-Source-Programm für die Quantenphysik, das die Simulation von Lichtverhalten in Quantensystemen ermöglicht.
Wissenschaftler:innen am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) und dem Paderborner Zentrum für Paralleles Rechnen (PC2) der Universität Paderborn haben ein leistungsfähiges Open-Source-Software-Tool entwickelt, das die Simulation von Lichtverhalten in Quantensystemen ermöglicht. Das Besondere: Mit „Phoenix“ können Forschende komplexe Effekte innerhalb kürzester Zeit in bisher ungekannter Detailtiefe untersuchen – ohne dass dafür Kenntnisse im Hochleistungsrechnen erforderlich sind.
Phoenix löst Gleichungen, die beschreiben, wie Licht mit Materie auf Quantenniveau interagiert. Das ist für das Verständnis und die Gestaltung zukünftiger Technologien wie Quantencomputer und fortschrittliche photonische Geräte unerlässlich. „Konkret geht es um nichtlineare Schrödinger- und Gross-Pitaevskii-Gleichungen in zwei räumlichen Dimensionen. Dank seiner Konzeption kann Phoenix auf Standard-Laptops oder Hochleistungs-GPUs laufen und ist bis zu tausendmal schneller und bis zu 99,8 Prozent energiesparender als herkömmliche Tools“, erklärt Stefan Schumacher vom PhoQS.
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Phoenix ist kostenlos und weltweit verfügbar. Die Software wird bereits verwendet, um neue physikalische Effekte in seltenen Quantenzuständen von Licht zu erforschen und kann Forschenden dabei helfen, Licht auf den kleinsten Skalen besser zu verstehen und zu kontrollieren.
Doktorand Jan Wingenbach erklärt: „Die Optimierung auf das derzeitige Niveau war nur durch unsere enge Zusammenarbeit mit den HPC-Experten vom PC2 möglich.“ High Performance Computing gehört zu den zentralen Forschungsschwerpunkten der Universität Paderborn, die nicht nur eine lange Tradition und einschlägige Expertise im Bereich der rechnergestützten Wissenschaften hat, sondern gleichzeitig hochmoderne Infrastruktur auf Weltklasseniveau bietet. Ein Großteil der Rechenkapazität wird im Rahmen des Nationalen Hochleistungsrechnens (NHR) für Forschende aus dem gesamten Bundesgebiet bereitgestellt. Erst kürzlich schaffte es der neue Paderborner Supercomputer „Otus“ auf der ISC in Hamburg, der internationalen Messe für High Performance Computing, künstliche Intelligenz, Data Analytics und Quantencomputing, auf Platz 5 der „Green 500“-Liste der weltweit effizientesten Rechnersysteme.
Das PhoQS setzt weltweit Akzente im Bereich der Photonik und Quantenforschung. Dank eines interdisziplinären Teams aus den Bereichen Physik, Mathematik, Informatik und Elektrotechnik betreibt es exzellente Forschung in den Bereichen Quantensimulation, -kommunikation, -metrologie und -computing. Im vergangenen Jahr hat der erste lichtbasierte Quantencomputer Deutschlands (PaQS) seine Arbeit in Paderborn aufgenommen.
„Diese Synergie zwischen Spitzenforschung in der Quantenphotonik und dem Hochleistungsrechnen hat es uns ermöglicht, die Grenzen der Rechenleistung und -fähigkeit zu erweitern“, fügt Robert Schade, wissenschaftlicher Mitarbeiter und HPC-Experte am PC2, hinzu. Vorläufige Versionen des Phoenix-Codes haben bereits zu wichtigen Durchbrüchen in der Quantenphotonik beigetragen. Das Programm wird laut Team ein wichtiges Rechenwerkzeug für die Erforschung neuer photonischer Zustände und ihrer Wechselwirkungen bieten. [U Paderborn / dre]
Weiterführende Links
- Originalveröffentlichung
J. Wingenbach et al., PHOENIX – Paderborn highly optimized and energy efficient solver for two-dimensional nonlinear Schrödinger equations with integrated extensions, Comput. Phys. Commun. 315, October 2025, 109689; DOI: 10.1016/j.cpc.2025.109689 - Theorie funktionaler photonischer Strukturen (Stefan Schumacher), Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS), Department Physik, Universität Paderborn
- High-Performance Computing Research Group (Christian Plessl), Institut für Informatik, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn
- Verbund für Nationales Hochleistungsrechnen (NHR-Verein e.V.), Geschäftsstelle, Berlin
Anbieter
Universität PaderbornWarburger Str. 100
33098 Paderborn
Deutschland
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