Rauschbewusste Quantenprogrammierung

• Antragsteller: Professor Dr. Benjamin Lucien Kaminski; Dr. Tobias Stollenwerk
• Fachliche Zuordnung: Softwaretechnik und Programmiersprachen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563038229

Quantencomputer versprechen erhebliche Vorteile bei der Lösung komplexer Rechenprobleme. Ihre inhärente Empfindlichkeit gegenüber Rauschen stellt jedoch eine zentrale Herausforderung dar: Dieses unvermeidliche Rauschen in der Quantenhardware erfordert die Entwicklung effektiver Gegenmaßnahmen. Dies betrifft sowohl die kurzfristig verfügbaren Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)-Computer als auch die langfristig angestrebten fehlertoleranten Quantencomputer, die vollständige Quantenfehlerkorrektur erfordern. In beiden Fällen ist eine Low-Level-Quantensoftware nötig, die Rauscheffekte berücksichtigt, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen. Das Ziel des NawaQ-Projekts ist es, Quantenprogrammierung rauschbewusst zu gestalten. Dazu sollen theoretische Werkzeuge und Grundlagen entwickelt werden, die Rauschinformationen sowohl auf der Ebene der Quantenschaltkreise als auch in Quantenprogrammiersprachen integrieren. Dies soll die Zuverlässigkeit und Effizienz von Quantenalgorithmen trotz Hardwareeinschränkungen gewährleisten. Auf einer Low-Level-Ebene operieren Quantencomputer mit Quantenschaltkreisen. Quantenprogramme werden in diese Schaltkreise kompiliert, die dann auf Hardware ausgeführt werden. Die rauschbewusste Kompilierung versucht, gerätespezifische Informationen in den Kompilierungsprozess einzubinden, steht jedoch vor zwei wesentlichen Herausforderungen: der präzisen Charakterisierung von Rauschkanälen auf realer Hardware und der Analyse ihrer Auswirkungen auf Algorithmen. Um diese Probleme zu lösen, plant NawaQ, detaillierte Rauschinformationen in Quantenschaltkreise und deren intermediäre Darstellungen (z.B. ZX-Diagramme) zu integrieren. Dies schafft einen formalen Rahmen für die quantitative Analyse verrauschter Schaltkreise, der die Grundlage für fortgeschrittene rauschbewusste Kompilierungstechniken bildet. Auf der High-Level-Ebene wird Rauschen in aktuellen Quantenprogrammiersprachen weitgehend gar nicht berücksichtigt. Wenn Programmierer jedoch Quantenrauschinformationen abfragen und den Kontrollfluss entsprechend steuern könnten, würde dies neue algorithmische Ansätze und Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Daher entwickelt NawaQ eine Quantenprogrammiersprache, die solche Rauschabfragen unterstützt. Sie wird es ermöglichen, Rauscheffekte direkt auf Quellcode-Ebene zu berücksichtigen. Ergänzend wird eine formale Semantik sowie eine Programmlogik bereitgestellt, die es erlaubt, formale Aussagen über die Korrektheit rauschbewusster Programme zu treffen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2514: Quantum Software, Algorithmen und Systeme - Konzepte, Methoden und Werkzeuge für den Quanten-Softwarestack
• Internationaler Bezug: Japan
• Mitverantwortliche: Dr. Alessandro Ciani; Professor Dr. Frank K. Wilhelm-Mauch
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ichiro Hasuo