Standards für die Zukunftstechnologie Quantencomputing

BMBF-Projekt QCStack: Zentraler Software-Stack für Quantencomputer

Gemeinsam entwickeln die Beteiligten in QCStack eine technologie-übergreifende Middleware. Diese verfügt über standardisierte Funktionen für Entwicklung und Kompilierung, Inbetriebnahme sowie Betrieb gatterbasierter Quantencomputer.
 

Compiler und Scheduler

Forschende unseres Bereichs »High Performance Computing«  konzentrieren sich in QCStack auf den Compiler, der Quantenalgorithmen auf reale Quantensysteme übersetzt. »Im Vergleich zu anderen Compilern berücksichtigen wir hier mehrere verschiedene Technologien«, erläutert Dr. Valeria Bartsch, Projektkoordinatorin von QCStack.

Die meisten Algorithmen, die in der NISQ-Ära (Near-term Intermediate-scale Noisy Quantum Ära) vorgeschlagen werden, haben klassische und Quanten-Anteile. Die Lösung des Problems wird schrittweise genähert. Insbesondere bei diesen Algorithmen ist die geschickte Zuweisung von Aufgaben wichtig: Neben einem Compiler entwickeln die Forschenden daher auch einen Scheduler, der den Quanten-Prozessoreinheiten Rechenschritte innerhalb eines Algorithmus, aber auch Kalibrierungsaufgaben zuweist. 


Arrangement wie in der Orchestermusik

Ähnlich wie im Orchester die Instrumente gestimmt werden, bevor Musik gespielt wird, werden die QuBits kalibriert. Um eine perfekte Abstimmung der Tonhöhe aufrecht zu erhalten, braucht es eine ständige Neukalibrierung. Die Musik wird entsprechend der Zusammensetzung des Orchesters arrangiert. Ebenso werden die Quantenalgorithmen kompiliert, damit sie auf einem bestimmten Quantensystem laufen. Die meisten Algorithmen beruhen auf einem Zusammenspiel zwischen klassischen und Quantenanteilen. Ein Dirigent, in unserem Fall ein Scheduler, gibt den Instrumenten ihr Stichwort.

Starke Partner im QCStack-Projekt

Das »Dahlem Center für komplexe Quantensysteme« der Freien Universität Berlin entwickelt Methoden zur optimalen Kontrolle von Quantensystemen und wendet sie auch an. Die Qruise GmbH, ein Spin-off des Forschungszentrums Jülich, beschäftigt sich dann mit der Inbetriebnahme der Software und der (Neu-)Kalibrierung.

Darstellung des Hardware-/Softwarestacks eines Quantencomputers​.
© Fraunhofer ITWM
Darstellung des Hardware-/Softwarestacks eines Quantencomputers​.

Software-Stack für Entwickler von integrierten Quantencomputern

Die QCStack-Software beschleunigt die Entwicklung von Quantencomputern, denn die Computerhersteller können sich auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren und müssen nicht noch zusätzlich den Software-Stack aufbauen. Nach Abschluss des Projekts erreichen die Kernsoftware sowie die enthaltenen Algorithmen den MVP-Status (Minimal Viable Product). Es liegt dann also die erste funktionsfähige Iteration der Software vor.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF fördert QCStack mit 3,9 Millionen Euro, wovon dem Fraunhofer ITWM 1,1 Millionen Euro zur Verfügung stehen. Das Projekt startete im Februar 2022 und läuft voraussichtlich bis Januar 2025.