QuaST

Quantum-enabling Services und Tools für industrielle Anwendungen

© Projekt QuaST

Projektbeschreibung
Quantencomputing kann zu disruptiven Veränderungen in vielen Bereichen der Industrie führen, beispielsweise durch die effizientere Lösung von komplexen Optimierungsproblemen in der Logistik oder der Halbleiterfertigung. Damit jedoch Industrie und Gesellschaft in vollem Maße von zukünftigen Quantencomputern profitieren können, ist ein niederschwelliger Zugang nötig, der insbesondere vom Nutzer keine tieferen Kenntnisse in der zu Grunde liegenden Physik voraussetzt. QuaST wird dies durch die Entwicklung von Software und Werkzeugen in einem einzigartigen ganzheitlichen Ansatz ermöglichen.

Herausforderung und Innovation
Das Design von Quantenalgorithmen ist sowohl für den klassischen Programmierer wie auch für einen Chip-Designer selbst dann ungewohnt, wenn sie in die API von weit verbreiteten Hochsprachen wie Python eingebettet sind. Insbesondere müssen aktuell noch die meisten Software-Entwicklungsschritte in einer Hardware-sensitiven Weise erfolgen: Welche Hardware ist für ein spezifisches Anwendungsproblem am besten geeignet (z. B. welches Chip-Layout)? Wie kann der Quantenalgorithmus am besten auf die native Architektur der gewählten Quantencomputing-Hardware umgesetzt werden? Wie wird garantiert, dass der Quantencomputer robuste und zuverlässige Ergebnisse liefert?

Das Projekt QuaST bietet einen einzigartigen, umfassenden Ansatz, der vom Endanwender in der Industrie nur minimale Kenntnisse der Quantencomputing-Hardware und der Hardware-nahen Software-Komponenten voraussetzen wird. Ziel ist es, dem Endanwender High-Level Bibliotheken an die Hand zu geben, die basierend auf dem Anwendungsproblem automatisch die Lösung in klassische, HPC- und Quantencomputing-Teile zerlegt, diese Quantencomputing-Teile dann optimiert auf das Hardware-Level einschließlich Co-Design abbildet.

Lösungsansatz
Um komplexe Optimierungsprobleme in einem ganzheitlichen Ansatz mit möglichst wenig benötigtem Vorwissen des Endanwenders lösen zu können, entwickelt QuaST High-Level-Bibliotheken und Services. Die Entwicklung dieser High-Level-Bibliotheken umfasst ausgehend von den Optimierungsproblemen der Anwendungspartner einen Software-Stack bis hinunter auf die Co-Design-Ebene. Hierzu werden Methoden entwickelt, um die gestellten Optimierungsprobleme in einer Co-Design-Strategie optimal auf IQM-Hardware zu implementieren, und dabei die IQM-Hardware an das ParityOS-Betriebssystem anzubinden. Zusätzlich werden High-Level Lösungspfade in Form einer Bibliothek aus algorithmischen Bausteinen und High-Level Mapping-Techniken entwickelt, um die Anwendungsalgorithmen automatisch mittels des ParityOS-Betriebssystems auf unterschiedliche Quantencomputing-Hardware übersetzen zu können. Daneben werden weitere Werkzeuge und Tools zur Verfügung gestellt, um die Anwendungsprobleme geeignet in klassische, HPC-beschleunigte, und Quantencomputing-basierte Teile zu zerlegen bzw. in kleinere Unterprobleme, die die aktuelle NISQ-Hardware optimal ausnutzen können. Dabei werden Methoden zur (De-)Kodierung der klassischen Eingangsinformation entwickelt, sowie Werkzeuge zur Optimierung, Validierung und Leistungsanalyse. Ein weiteres Arbeitspaket optimiert die Laufzeitumgebung zwischen klassischen Computern und Quantencomputern, um Quantenalgorithmen laufzeiteffizient ausführen zu können. Damit Quantencomputing-Hybrid-Algorithmen zuverlässig eingesetzt werden können, werden außerdem Methoden entwickelt, um die Anwendungs-Software zu evaluieren und zu verifizieren.

Konsortium
Fraunhofer IKS (Konsortialführer), TU München, Leibniz Rechenzentrum, IQM, ParityQC, Infineon, DATEV eG, Fraunhofer AISEC, Fraunhofer IIS, Fraunhofer IISB

Laufzeit
Januar 2022 – Dezember 2024

Budget
Gesamtvolumen: 7,7 Mio. €
Fördermittel: 5,5 Mio. €