Forschende entwickeln erstmals eine Referenzarchitektur für Quantensoftware, die Anwendungen und Hardware zusammenbringt

Quantencomputer könnten künftig komplexe Probleme lösen, an denen heutige Rechner scheitern, etwa bei der Entwicklung neuer Materialien oder der Planung von Lieferketten. Bislang sind die Systeme allerdings störanfällig und vor allem in Forschungslaboren im Einsatz. Außerdem fehlen Standards für die Softwareentwicklung. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt, das vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO geleitet wird, entwickeln Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des FZI Forschungszentrums Informatik nun erstmals eine ganzheitliche Referenzarchitektur für Quantensoftware. Denn selbst die leistungsfähigsten Rechner sind nutzlos, wenn passende Programme fehlen.

Die im Projekt FullStaQD entstandene Referenzarchitektur soll als gemeinsamer Bauplan für zukünftige Anwendungen auf unterschiedlicher Quantenhardware dienen, also die Entwicklung von Quantensoftware von Beginn an auf eine einheitliche Grundlage stellen.

Software für Computer, die es noch nicht gibt

Das Problem: Es fehlen gemeinsame Standards, nicht nur für die Hardware, auch für die Software. „Die Quantencomputing-Softwarelandschaft ist stark fragmentiert. Viele Softwarelösungen sind deshalb eng an eine bestimmte Hardware gebunden“, sagt Projektleiter Philipp Kunst vom Fraunhofer IAO. Entwickelt sich die Technologie weiter, müssen häufig auch die Programme angepasst werden. Gleichzeitig entstehen immer neue technische Ansätze für Quantencomputer. „Das erschwert die Zusammenarbeit und macht es schwierig, Software langfristig weiterzuentwickeln.“

„Wir wollen vermeiden, dass sich die Softwarekrise der 1960er-Jahre wiederholt", sagt Professorin Ina Schaefer vom Institut für Informationssicherheit und Verlässlichkeit (KASTEL) des KIT. Damals standen leistungsfähige Computer zur Verfügung, es fehlte jedoch an ausgereifter Software, um sie zu nutzen. 

Eine „Steckdose“ für die Quanteninformatik

Das Team von Schaefer entwickelt deshalb statt einer Software für einen bestimmten Quantencomputer einen Bauplan, der beschreibt, wie unterschiedliche Quantencomputer und Softwarelösungen künftig zusammenarbeiten können. Wie das funktioniert, erklärt Schaefer anhand eines Alltagsbeispiels: „Niemand weiß heute, welche Geräte in 20 Jahren an einer Steckdose angeschlossen werden. Trotzdem gibt es Standards für Steckdosen und Stecker. Sie legen nicht fest, welches Gerät gebaut wird, sondern nur, wie Geräte und Stromversorgung zusammenarbeiten.“
Nach diesem Prinzip funktioniert auch die neue Referenzarchitektur: „Wir definieren keine bestimmte Quantenhardware und keine konkreten Anwendungen. Stattdessen beschreiben wir, welche Aufgaben die einzelnen Ebenen eines Quantensoftwaresystems übernehmen und wie sie miteinander kommunizieren“, sagt Schaefer. Die Architektur bleibt damit offen für künftige technologische Neuerungen. Zugleich schafft sie eine Grundlage, auf der mehrere Teams gemeinsam größere Softwaresysteme entwickeln können.

Anwendungen und Hardware unabhängig entwickeln

Die Referenzarchitektur gliedert Quantensoftware in drei Ebenen: Anwendungen, Systemfunktionen und Hardware. Auf der Anwendungsebene entstehen Programme für konkrete Aufgaben, etwa in der Logistik oder Materialforschung. Die Hardwareebene umfasst den Quantenrechner. Dazwischen liegt die Systemebene, die beide Bereiche miteinander verbindet.

„So können Anwendungen und Hardware unabhängig voneinander weiterentwickelt werden. Wer an neuen Anwendungen arbeitet, muss die technischen Details der Hardware nicht kennen. Umgekehrt lassen sich bestehende Programme mit geringem Aufwand an Verbesserungen der Hardware anpassen“, erläutert Oliver Denninger, Leiter des Forschungsbereichs Software Engineering am FZI. Gleichzeitig können neue Hardwaretechnologien entstehen, ohne dass sämtliche Software neu entwickelt werden muss.

„Damit Quantencomputing künftig wirtschaftlich nutzbar wird, müssen wir die Softwareseite von Anfang an gleichberechtigt mit der Hardware entwickeln“, sagt Kunst. Die dafür erforderlichen Softwarebausteine wollen die Forschenden nun in der nächsten Projektphase erarbeiten.

Das Projekt FullStaQD: vom Konzept zur Praxis

Die vorgestellte erste Version der Referenzarchitektur ist der erste Meilenstein im Projekt FullStaQD. Im nächsten Schritt entwickeln die Projektpartner eine Open-Source-Referenzimplementierung. Sie soll frei verfügbare Komponenten bereitstellen und im kommenden Jahr vorgestellt werden. Die Referenzarchitektur steht online zur Verfügung: https://fullstaqd.github.io/architecture/

Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert das Projekt mit rund 15 Millionen Euro. Davon gehen etwa 700 000 Euro ans KIT.