Wir entwickeln maßgeschneiderte Kompilierungsstrategien für die Quantencomputer der DLR Quantencomputing-Initiative und maßgeschneiderte Quantenalgorithmen für schwere, industrierelevante Rechenprobleme.

Durch unsere Forschungs- und Entwicklungsarbeit unterstützten wir das Ökosystem Quantencomputing bei der Entwicklung von innovativen Produkten und Anwendungen. Dabei konzentrieren wir uns auf zwei besonders wichtige Probleme der Entwicklung von Quantensoftware: die effiziente Kompilierung von Schaltkreisen auf Quantencomputing-Hardware und die Entwicklung maßgeschneiderter Quantenalgorithmen für den industriellen Einsatz. Wir implementieren und evaluieren unsere Lösungen für DLR QCI-Quantencomputer um so einen Schritt Richtung Quantenvorteil zu gehen. Dabei arbeiten wir eng mit den Herstellern von Quantenhardware und den industriellen Endanwendern zusammen.

Motivation

Für aktuelle Quantencomputer der NISQ-Ära sind noch keine Algorithmen bekannt, die eine garantierte Laufzeitverbesserung gegenüber klassischen Computern besitzen. Obwohl viele dieser Algorithmen auch ohne eine Quantenfehlerkorrektur auskommen, ist eine genaue Kenntnis der Fehler für die Erreichung des Quantenvorteils unabdingbar. Um eine nützliche Anwendung auf einem Quantencomputer schneller als auf einem klassischen Computer umzusetzen, bedarf es daher der engen Zusammenarbeit bei der Hard- und Softwareentwicklung. Nur so können die Kennzahlen und Fehlermodelle der echten Maschinen in die Algorithmenentwicklung einbezogen werden und andererseits die Hardwareentwicklung genau die Ziele umsetzen, welche im Hinblick auf Algorithmen und mögliche Anwendungen am vielversprechendsten sind. Dieses Vorgehen wird als Hardware-Software-Codesign bezeichnet. Darüber hinaus ist eine perspektivische Ausrichtung auf die möglichen Endnutzer essentiell, um das gemeinsame Ziel zu erreichen: eine nützliche Anwendung auf einem Quantencomputer schneller zu lösen als auf einem klassischen Computer. Deswegen schlagen wir mit unserem Projekt eine Brücke zwischen der Grundlagenforschung und möglichen Endanwendern.

Herausforderung

Es ist gar nicht einfach, Algorithmen für fehlerbehaftete Quantencomputer zu finden, die trotz Fehleranfälligkeit einen Quantenvorteil versprechen. Das ist derzeit eine zentrale Herausforderung! Vor allem die Identifikation praxisrelevanter Aufgabenstellungen, die mit aktuellen Methoden quantenbeschleunigt möglich sind, und deren Übersetzung in ein durch den Quantencomputer lösbares Problem, bedarf einiger Kenntnis und Erfahrung. Aufgrund der volatilen Entwicklung im Hardwarebereich ist zudem stets ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit nötig. Deswegen müssen wir die Anwendungen und Algorithmen für mögliche Einsatzzwecke gründlich untersuchen. Gleichzeitig dürfen wir alternative Entwicklungen nicht aus dem Auge verlieren. Dabei muss immer klar sein, dass es nicht ausreicht, eine Anwendung einfach nur auf einem Quantencomputer abzubilden. Vielmehr muss es immer das Ziel sein, dass die Anwendung schneller oder besser gelöst wird als wie mit den besten Algorithmen auf herkömmlicher Hardware.

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