Algorithmen für Quantencomputerentwicklung im Hardware-Software-Codesign:
ALQU
Die Forschungsarbeiten im Projekt ALQU unterstützen die deutsche Quantencomputerindustrie bei der Entwicklung innovativer Produkte.
Quantencomputer versprechen in Zukunft deutliche Laufzeitbeschleunigung und bessere Lösung bestimmter Rechenprobleme im Vergleich zu klassischen Rechensystemen, den sogenannten Quantenvorteil. Kurz- und mittelfristig realisierbare Quantencomputer können jedoch noch keine Algorithmen mit Quantenfehlerkorrektur ausführen. Viele der heute genutzten Algorithmen kommen zwar ohne Quantenfehlerkorrektur aus, um aber einen essentiellen Schritt in Richtung Quantenvorteil zu gehen, ist eine genaue Kenntnis der Fehler der Quantenhardware unabdingbar.
Schematische Darstellung des Hardware-Software-Codesigns
Um ein Anwendungsproblem auf einem Quantencomputer zu lösen, muss diese in der Sprache eines mathematischen Algorithmus formuliert werden, der daraufhin auf die gegebene Hardwareplattform kompiliert werden muss. Die frühe Quantencomputing-Hardware unterliegt allerdings starken Limitierungen, was starke Einschränkungen für die möglichen Kompilierung bedeutet. Dies schränkt wiederum die möglichen Algorithmen und damit die möglichen Endanwendungen ein. Daher verfolgt ALQU das Paradigma des Hardware-Software-Codesigns: Anwendungen und Hardware für Quantencomputer werden in einem ganzheitlichen Ansatz zusammen gedacht um strukturiert in den nächsten Jahren einen Quantenvorteil zu erhalten.
Das Projekt ALQU setzt hierfür Hardware-Software-Codesign ein, das die Entwicklungsprozesse von Hard- und Software für Quantencomputer eng verknüpft. So soll das Wissen über die Kennzahlen und Fehlermodelle der echten Maschinen in die Entwicklung von Algorithmen einfließen. Umgekehrt soll die Hardwareentwicklung die effiziente Ausführung der vielversprechendsten Algorithmen und Anwendungen gezielt unterstützen.
Neben dem Verknüpfen von Hard- und Softwareentwicklung schlägt das Projekt ALQU eine Brücke zwischen der Grundlagenforschung einerseits und den möglichen Endanwendungen andererseits. Der Fokus auf Endanwendungen erlaubt die Identifikation von Anwendungen, die den Quantenvorteil tatsächlich nutzen können.
ALQU konzentriert sich auf die wichtigsten Problemfelder der Quantensoftwareentwicklung: die effiziente Kompilierung von Quantenschaltkreisen auf Quantencomputinghardware sowie die Entwicklung von maßgeschneiderten Quantenalgorithmen für schwere, industrierelevante Rechenprobleme.
Die so entwickelten Lösungen werden auf den Quantencomputern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR implementiert und für verschiedene Anwendungsprobleme evaluiert, um einen möglichen Quantenvorteil nachweisen zu können.
In ALQU arbeiten Quantenhardwarehersteller und industrielle Endanwender, insbesondere aus Logistik, Transportwesen und Materialwissenschaft, eng zusammen. Langfristig etabliert ALQU das DLR als Kompetenzträger für Quantencomputing mit ausgeprägtem Fokus auf Technolgietransfer in die deutsche Wirtschaft.
