Paper: Quantum Software Ecosystem Design
Achim Basermann · Michael Epping · Benedikt Fauseweh · Michael Felderer · Elisabeth Lobe · Melven Röhrig-Zöllner · Gary Schmiedinghoff · Peter K. Schuhmacher · Yoshinta Setyawati · Alexander Weinert
Quantum Software · 2024
Die rasanten Fortschritte in der Quanteninformatik erfordern einen wissenschaftlichen und rigorosen Ansatz für den Aufbau eines entsprechenden Software-Ökosystems, ein Thema, das noch nicht ausreichend erforscht wurde und das sich für eine systematische Untersuchung anbietet. Dieses Kapitel stellt einen wichtigen Schritt in diese Richtung dar. Es stellt wissenschaftliche Überlegungen vor, die für den Aufbau eines Quanten-Software-Ökosystems wesentlich sind, das Quantencomputing für wissenschaftliche und industrielle Problemlösungen verfügbar macht. Im Mittelpunkt dieses Diskurses steht das Konzept des Hardware-Software-Codesigns, das eine bidirektionale Rückkopplungsschleife von der Anwendungsschicht an der Spitze des Softwarestapels bis hinunter zur Hardware fördert. Dieser Ansatz beginnt mit Compilern und Low-Level-Software, die speziell auf die einzigartigen Spezifikationen und Einschränkungen des Quantenprozessors abgestimmt sind, geht weiter mit Algorithmen, die mit einem klaren Verständnis der zugrunde liegenden Hardware- und Rechenmodellmerkmale entwickelt werden, und erstreckt sich auf Anwendungen, die die Fähigkeiten effektiv nutzen, um einen Quantenvorteil zu erzielen. Wir analysieren das Ökosystem aus zwei kritischen Blickwinkeln: die konzeptionelle Sichtweise, die sich auf die theoretischen Grundlagen konzentriert, und die technische Infrastruktur, die sich mit praktischen Implementierungen rund um reale Quantengeräte befasst, die für ein funktionierendes Ökosystem erforderlich sind. Dieser Ansatz stellt sicher, dass der Schwerpunkt auf vielversprechenden Anwendungen mit optimierten Algorithmus-Schaltungs-Synergien liegt, während gleichzeitig ein benutzerfreundliches Design, eine effektive Datenverwaltung und eine übergreifende Orchestrierung gewährleistet werden. Dieses Kapitel bietet somit einen Leitfaden für die wesentlichen Konzepte und praktischen Strategien, die für die Entwicklung eines wissenschaftlich fundierten Quanten-Software-Ökosystems erforderlich sind.
Quantum Software (2024)
https://doi.org/10.1007/978-3-031-64136-7_7
