Praktische Anwendungen der Quanteninformatik vorantreiben
Durch die Anwendung der Quantenmechanik hat die Quanteninformatik das Potenzial, komplexe Probleme schneller zu lösen als klassische Computer. Fachleute auf diesem Gebiet konstatieren häufig, dass wir in das so genannte Zeitalter der „Noisy Intermediate-Scale Quantum“ (NISQ) Ära eingetreten sind. Dies bezeichnet eine Ära, die durch Quantenprozessoren gekennzeichnet ist, denen es an einer ausreichend fortschrittlichen Fehlertoleranz oder Leistungsfähigkeit mangelt, um eine Quantenüberlegenheit zu erreichen. Als Quantenüberlegenheit bezeichnet man den Zeitpunkt, ab dem ein Quantencomputer nachweislich ein Problem lösen kann, wofür ein klassischer Computer eine nicht realisierbare Rechenzeit benötigen würde.
Neue Art von quantengestützten Anwendungen
„NISQ-Systeme sind daher die ‚unvollkommenen‘ Intermediate-Scale-Quantencomputersysteme, die derzeit verfügbar sind“, erklärt NEASQC – Projektkoordinator Cyril Allouche von Eviden in Frankreich. „Obwohl die Millionen von Qubits, die ein vollständig fehlertolerantes Quantencomputing garantieren werden, noch in weiter Ferne liegen, glauben wir, dass es praktische Anwendungsfälle für die NISQ-Geräte gibt, die in naher Zukunft verfügbar sein werden.“ Das Ziel des EU-finanzierten Projekts NEASQC, das von BULL, einer Tochtergesellschaft von Atos, koordiniert wurde, bestand daher darin, eine neue Art von quantengestützten Anwendungen zu erforschen und zu entwickeln, die in der Lage sind, die Vorteile der kommenden hochmodernen NISQ-Systeme zu nutzen. „NEASQC war ein in großem Maße anwendungsorientiertes Projekt“, so Allouche. „Es brachte akademische Fachleute und industrielle Endnutzer zusammen, die gemeinsam an einer Reihe von Quantencomputeranwendungen arbeiteten.“
Anwendung der NISQ-Geräte auf praktische Probleme
Das Projektteam ermittelte eine Reihe praktischer Probleme, für die NISQ-Geräte zum Einsatz kommen könnten. Diese reichten von der Arzneimittelforschung und dem intelligenten Energiemanagement bis hin zur Verarbeitung natürlicher Sprache und der Erkennung von Brustkrebs. Allouche und das Konsortium entwickelten daraufhin neue Quantensoftwaretechniken für diese Anwendungsfälle, mit dem Ziel, eine praktische Quantenüberlegenheit zu erzielen. Um die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Hochschulen zu maximieren, wurde jeder Anwendungsfall von einem integrierten Team aus mindestens einem Industriepartner und einem Hochschulpartner untersucht. „Das Projekt hat es uns ermöglicht, diese Anwendungsfälle so gründlich zu untersuchen“, sagt Allouche. „Dies wäre ohne NEASQC nicht möglich gewesen, da eine kritische Masse benötigt wurde, um derart schwierige Berechnungsprobleme anzugehen.“
Eine NISQ-Nutzergemeinschaft in Europa
Eine wichtige und dauerhafte Errungenschaft des Projekts war der Aufbau einer entstehenden NISQ-Nutzergemeinschaft in Europa. „NEASQC bot der akademischen Welt die Möglichkeit, mit den Endnutzern in Kontakt zu treten“, merkt Allouche an. „Normalerweise konzentrieren sich akademische Fachleute auf die Theorie und haben nur wenige Verbindungen zur Industrie.“ Um zu gewährleisten, dass diese Zusammenarbeit auch weit über den Abschluss des Projekts hinaus zukunftsfähig ist, wurde ein Werkzeugsatz entwickelt, der auf drei Schlüsselkomponenten basiert. Dieser besteht aus einer vollständigen Quantenprogrammierumgebung, einer Reihe von Software-Bibliotheken für Open-Source-Anwendungen und einer anwendungsorientierten Benchmark-Suite. Die Programmierumgebung ermöglicht es Forschern, Studenten und Entwicklern, mit der Quantenprogrammierung zu experimentieren, indem sie Werkzeuge verwenden, mit denen sie bis zu 20 Qubits in einem benutzereigenen Gerät simulieren können. Alle Bibliotheken werden auf GitHub unter dem NEASQC-Projektbanner gehostet. „Dieses Instrumentarium wird es neuen Akteuren in der Industrie ermöglichen, ihre eigenen praktischen Untersuchungen durchzuführen und ihre Ergebnisse zu veröffentlichen“, fügt Allouche hinzu. „Die Benchmark-Suite von NEASQC kann den Nutzern beispielsweise helfen, Anwendungen und Hardware zu bewerten und mitzugestalten.“
Schlüsselbegriffe
NEASQC, Quanteninformatik, Computer, Gesundheit, Umwelt, NISQ, Qubits
