Das Institut für Softwaretechnologie forscht seit 2015 als einer der ersten DLR-Institute an Quantencomputing. Die gleichnamige Arbeitsgruppe „Quantencomputing“ ist Teil der Abteilung High-Performance Computing. Zu den zentralen Aufgaben der Gruppe zählen die Entwicklung und Erforschung von Algorithmen und Software für frühe Quantencomputer. Die Forschungsgruppe besteht sowohl aus PostDocs, Promovierenden wie auch Masterstudierenden. Die DLR-Forschung an Quantencomputern wird durch eine Bundesinitiative des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz über einen Zeitraum von 2021-2025 mit ca. 740 Mio Euro unterstützt.
Das Potential von Quantencomputern
Quantencomputer versprechen extreme Laufzeitverbesserungen für bestimmte Anwendungsprobleme, die mit herkömmlichen Computern aktuell nicht zu lösen sind. Während Rechenaufgaben auf klassischen Computer mit Bits bearbeitet werden, die entweder den Zustand Null oder Eins haben, funktionieren Quantencomputer auf der Basis von Qubits, die viele verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen können. Algorithmen, die diese Eigenschaften optimal ausnutzen, können einen Vorteil gegenüber klassischen Algorithmen vorweisen.
Unser Ansatz: hardwarenahe Softwareentwicklung für Quantencomputer
Aufgrund des frühen Stadiums der Entwicklung von Quantencomputern ist es notwendig, die grundlegende Funktionsweise solcher Maschinen zu verstehen. Nur so wird es möglich sein, einen Quantenvorteil für eine relevantes Anwendungsproblem zu demonstrieren.
Daher verfolgt die Gruppe einen ganzheitlichen Ansatz, das sogenannte Hardware-Software-Codesign. Hier wird die Entwicklung von der Anwendung bis zur Quantencomputerhardware betrachtet. Dies bedeutet eine enge Zusammenarbeit sowohl mit möglichen Anwendern als auch mit Grundlagenforschern. Das sind zum Beispiel das Forschungszentrum Jülich sowie das NASA Quantum Artificial Intelligience Laboratory (QuAIL), als eine der weltweit führenden Gruppen zu anwendungsorientierter Quantencomputerforschung.
Quantencompilierung
Das Institut für Softwaretechnologie erarbeitet Strategien zur Abbildung von Quantenalgorithmen auf Quantencomputern unter Berücksichtigung der signifikanten Hardware-Einschränkungen (Quantencompilierung). Die dabei gewonnenen Erfahrungen werden genutzt, um passende Algorithmen und Anwendungen zu identifizieren und zu entwickeln.
Algorithmen für frühe Quantencomputer
Die gegenwärtigen Maschinen und solche, die es in naher Zukunft geben wird, sind noch nicht für Quantenalgorithmen geeignet, die eine Quantenfehlerkorrektur benötigen. Diese Maschinen werden auch als Noisy Intermediate Scale Quantum computers (NISQ) bezeichnet. Es gibt jedoch Kandidaten für Quantenalgorithmen, die auf diesen Quantencomputern implementiert werden können und das Potential haben, klassische Algorithmen zu übertreffen (siehe hierzu auch das Projekt EQUATE). Dazu zählen Beispiel variationelle Quantenalgorithmen wie der Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA), der kombinatorische Optimierungsprobleme lösen kann, wie sie bei der Planung von Satellitenmissionen oder der optimalen Verkehrsführung auftreten. Die Arbeitsgruppe „Quantencomputing“ untersucht und entwickelt solche Algorithmen, mit Fokus auf Anwendungen aus der kombinatorischen Optimierung und der Quantensimulation.
Ausgewählte Publikationen
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