Die Entwicklung von Quantensoftware steckt noch in den Kinderschuhen

In diesen Tagen findet ein Wettlauf statt, an dem sowohl etablierte Giganten als auch gut finanzierte Newcomer teilnehmen. Unternehmen wie IBM, Intel, Google, Honeywell, Xanadu, IonQ, Rigetti und Alibaba versuchen, immer leistungsfähigere Quantencomputer zu bauen. Sie scheinen dazu auch durchaus berechtigt zu sein. Die Quanteninformatik verspricht dramatische Auswirkungen auf zahlreiche Bereiche - von der Cybersicherheit bis zum Finanzwesen, von der Lieferkette bis zur Pharmazie, von der Verteidigung bis zur Wettervorhersage.

Quantencomputer umfassen Qubits (das Quantenäquivalent der klassischen "0 oder 1"-Bits) und Gatter, die diese Qubits verändern. Die Unternehmen konkurrieren auf mehreren Ebenen - Anzahl der Qubits, Art der verfügbaren Gatter, Konnektivität zwischen den Qubits, Fehlerraten, Betriebstemperatur und mehr. Das Tempo des Fortschritts ist geradezu schwindelerregend. IBM beispielsweise bietet eine High-End-Quantenmaschine mit 65 Qubits an und erwartet im nächsten Jahr eine Version mit 433 Qubits und im Jahr 2023 mit über 1.000 Qubits.

Hardware ist nur ein Teil des Bildes

So wichtig die Hardware ist, so entscheidend ist auch die Software, um eine Quantenrevolution voranzutreiben.

In der Welt der klassischen Computer ist eine moderne CPU ohne ein Betriebssystem und Softwaretools für die Entwicklung von Anwendungen nahezu nutzlos, und wir können davon ausgehen, dass dies auch bei Quantencomputern der Fall sein wird. Ohne leistungsfähige Software wird das Quantencomputing sein Versprechen nicht einlösen können.

Heute steckt die Entwicklung von Quantensoftware jedoch noch in den Kinderschuhen. Quantenprogrammiersprachen wie Q# von Microsoft, Qiskit von IBM oder Cirq von Google arbeiten in erster Linie auf der Ebene der Gatter oder Bausteine. Wenn ein gewünschter Baustein noch nicht implementiert ist, muss der Benutzer die genaue Reihenfolge der Verbindungen zwischen Qubits und Quantengattern festlegen.

Dieses Verfahren ist vergleichbar mit der Erstellung eines digitalen Schaltkreises durch mühsames Platzieren von logischen Gattern (AND, OR und NOT). Bei Dutzenden von logischen Gattern funktioniert es einigermaßen gut, aber bei Tausenden oder Millionen von Gattern ist es praktisch unmöglich, es zu skalieren.

Der Quanten-Doktor als Software-Ingenieur

Die Komplexität beim Schreiben von Quantensoftware hat einen weiteren unglücklichen Nebeneffekt: Es ist schwierig, Quantensoftware-Ingenieure zu finden. Da sich die Quantenprogrammierung von der klassischen Programmierung unterscheidet, sind Quantensoftware-Ingenieure eine seltene Spezies. Sie müssen Experten in der Quanteninformationstheorie sein und über ein funktionierendes Verständnis der Quantenphysik sowie die Beherrschung der linearen Algebra verfügen.

Heute sind solche Ingenieure in der Regel promovierte Absolventen der großen Universitäten. Menschen mit solchen Qualifikationen sind rar, und die Unternehmen haben Schwierigkeiten, ihre neu geschaffenen Quantengruppen zu besetzen. Darüber hinaus fehlt es den Quanten-Software-Ingenieuren an Fachwissen in den Bereichen Optionspreise, Molekularbiologie, Optimierung der Versorgungskette oder einem anderen Problem, das die Teams zu lösen versuchen. Die Notwendigkeit, neue Algorithmen auf der Gatterebene zu definieren, macht es sehr schwierig, bereichsspezifische Experten in Quantenteams zu integrieren.

Das große Bild sehen

Wenn Sie ein wunderschönes Urlaubsfoto aufgenommen haben und die Farben des Sonnenuntergangs noch dramatischer gestalten möchten, möchten Sie dies wahrscheinlich nicht Pixel für Pixel tun, vor allem, wenn Ihr Foto Millionen von Pixeln hat. Sie würden es vorziehen, Photoshop oder eine andere Bildbearbeitungssoftware zu verwenden, mit der Sie festlegen können , was Sie tun möchten, und dann herausfinden, wie Sie es Pixel für Pixel umsetzen können.

Ähnlich verhält es sich, wenn Ihre Teammitglieder einen neuen Quantenalgorithmus entwickelt haben und diesen nicht Gate für Gate codieren - oder debuggen und warten - wollen. Sie wollen eine Hochsprache, um die neuen Konzepte in eine Implementierung auf Gatterebene zu übersetzen.

Wo haben wir das schon einmal gesehen?

Wir haben bereits die Analogie zwischen der Quantenprogrammierung und dem Entwurf digitaler Schaltungen hergestellt. Die Entwicklung digitaler Schaltkreise kann als Inspiration für die Lösung des Quantensoftwareproblems dienen.

Als digitale Schaltungen immer komplexer wurden (ein Intel 8086-Prozessor hat etwa 20.000 Transistoren, während ein moderner i7-Prozessor über 4 Milliarden Transistoren hat), kamen Entwurfssprachen wie VHDL zur Hilfe. Mit VHDL, Verilog und ähnlichen Hardware-Beschreibungssprachen schreiben die Entwickler einen von Menschen lesbaren Code, der beschreibt, was sie erreichen wollen, und lassen dann Computerprogramme diese High-Level-Beschreibung in detaillierte Gatterverknüpfungen übersetzen.

Mit solchen Sprachen ist es möglich, wirklich komplexe Schaltungen zu entwerfen und sie effektiv zu debuggen und zu warten. Hochsprachen fördern auch die Wiederverwendung von Code, so dass das Rad nicht jedes Mal neu erfunden werden muss.

Was zu erwarten ist

Ich glaube, dass wir bald einen VHDL-ähnlichen Ansatz für die Quanteninformatik sehen werden. Auch wenn sich die Sprachkonstrukte für die Quanteninformatik erheblich von denen des Elektronikdesigns unterscheiden, ist das Konzept für diesen "Quantenalgorithmusentwurf" dasselbe - man konzentriert sich auf die Absicht und lässt sie von einem hochentwickelten Computerprogramm in Qubits und Gatter übersetzen. Da es so viel gute VHDL-Geschichte gibt, aus der wir Erkenntnisse gewinnen können, erwarte ich, dass sich das Quantenäquivalent viel schneller und mit viel weniger Unsicherheit entwickeln wird.

Drei Ratschläge

Um auf die Quantenrevolution und diese neuen Softwareplattformen vorbereitet zu sein, schlage ich vor, dass Unternehmen:

- ihren Fachleuten die Konzepte der Quanteninformatik näher bringen, ohne dass sie unbedingt Low-Level-Programmierung lernen müssen.

- Vermeiden Sie es, sich kopfüber in Qubits und Gates zu stürzen. Erstellen Sie zunächst eine gut lesbare Beschreibung dessen, was Ihr Quantenalgorithmus tun muss.

- Weitere Erkundung des Marktes für Plattformen, die High-Level-Modellierungssprachen in optimierten Low-Level-Quantencode umwandeln können.

Hilfe ist auf dem Weg

Ohne signifikante Fortschritte bei der Software wird die Quanteninformatik ins Stocken geraten. Software für den Entwurf von Quantenalgorithmen wird es nicht nur ermöglichen, anspruchsvollere Algorithmen auf fortschrittlicheren Maschinen zu implementieren, sondern sie wird auch den verfügbaren Arbeitskräftepool erweitern und es Fachleuten ermöglichen, mit promovierten Quanteningenieuren zusammenzuarbeiten.

Durch die Integration von Hardware, Software und Menschen können wir das große Versprechen des Quantencomputers einlösen.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in Forbes

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