Interview mit Prof. Robert Wille zur Software von Quantencomputern

„München wird zum Zentrum für Quantum Computing Software“

Bei den bisherigen, digitalen, Computern funktionieren alle Programme basierend auf den binären Zuständen 0 und 1. Das ergibt sich, weil es sich bei diesen Rechnern um elektronische Systeme handelt, bei denen Informationen mithilfe der beiden Zustände „Strom an“ (eben 1) und „Strom aus“ (eben 0) verarbeitet werden. Quantencomputer hingegen nutzen quantenmechanische Objekte, beispielsweise Ionen oder Photonen. Dabei kommen die Gesetze der Quantenmechanik ins Spiel, die neben den beiden Zuständen 0 und 1 noch sogenannte Superpositionen erlauben – also Zustände die gewissermaßen 0 und 1 gleichzeitig repräsentieren. Mit diesen (und weiteren) Eigenschaften lassen sich in Zukunft bestimmte Probleme lösen, die wir aufgrund der enormen Komplexität mit bisherigen Rechnern nicht „geknackt“ bekommen haben.

Das Prinzip ist ähnlich zu herkömmlichen Computern: Software ermöglicht es, dass grundsätzlich jeder einen Rechner bedienen kann – selbst wenn er/sie keine Ahnung von elektrischen Schaltungen hat. Das Gleiche soll Software für Quantencomputer leisten: Die Endanwender:innen sollen diese neue Technologie auch ohne Wissen von Quantenphysik und Quantenmechanik nutzen können. Da Quantensysteme aber anders funktionieren als elektrische Schaltungen, müssen wir hierfür die Software neu entwickeln.

Zunächst müssen wir uns bei der Entwicklung von Softwarelösungen immer die Frage stellen, ob das identifizierte Problem überhaupt für Quantencomputer geeignet ist. Quantencomputing ist keine eierlegende Wollmilchsau. Es gibt Probleme, für die eignet sich der Quantencomputer besser und für andere sollte man auf andere Technologien setzen. Im zweiten Schritt gehen wir der Frage nach, wie können wir dieses Problem über verschiedene Schritte so umformulieren, dass es auf der eigentlichen Quantenhardware läuft. In der Regel simulieren wir dafür unsere Algorithmen zunächst auf einem herkömmlichen Computer, um überhaupt auszuprobieren, ob wir das gewünschte Ergebnis bekommen. Anschließend überlegen wir uns, wie wir das Problem so aufbereiten können, dass wir eine Berechnung auf unserem Quantencomputer durchführen können. Dahinter steckt am Ende die Idee, Softwarelösungen zu entwickeln mit denen die Endanwender:innen „auf Knopfdruck“ das entsprechende Ergebnis geliefert bekommen.

Die Basis ist zunächst natürlich die Hardware – ohne sie geht es nicht. Gerade hier sind in den letzten Jahren aber enorme Fortschritte gemacht worden. Quantencomputer werden in naher Zukunft für praktisch relevante Probleme geeignet sein. Entsprechend wichtig ist, dass wir nun auch mit der Entwicklung von Software nachziehen. Sonst haben wir im Zweifel mächtige Quantencomputer, aber keine Methoden sie sinnvoll zu nutzen. Der Vorteil ist, dass wir nicht „bei Null“ anfangen müssen. Wir können viel aus der Softwareentwicklung für bisherige Computer aus den letzten Jahrzehnten lernen. Gleichzeitig stehen wir aber vor der Herausforderung, komplett neue Berechnungsparadigma und physikalische Grundlagen berücksichtigen zu müssen. Kurzum: Die Basis ist stark, es gibt aber noch enorm viel zu tun.

In München sind wir nicht zuletzt durch die Initiative des Munich Quantum Valleys nahezu perfekt aufgestellt. Sowohl Endanwender:innen als auch Physiker:innen – die beiden Gruppen, die wir mit Software zusammen bringen müssen – sind wortwörtlich „auf der anderen Straßenseite“ erreichbar. Dadurch sehen wir sofort, was gebraucht wird; aber auch, welche Softwarelösungen funktionieren und welche nicht. Diese enge interdisziplinäre Verzahnung von Top-Wissenschaftler:innen zu diesem Thema an einem Standort gibt es weltweit nur äußerst selten. Und ich bin stolz und dankbar ein Teil einer solch lebendigen und hochkarätigen Community zu sein.

Wir wollen das Thema „Software für Quantencomputing“ ins Rampenlicht rücken und (zukünftige) Endanwender:innen mit den Entwickler:innen zusammenbringen. Dabei ist es uns gelungen, das „Who’s who“ der Software Community (sowohl aus Forschung als auch Industrie) nach München zu bringen. Das Interesse ist enorm und nicht zuletzt die Teilnahme von „Big Playern“ wie IBM, Google, Microsoft, Amazon und mehr zeigt, dass hier großer Bedarf herrscht. Die Zeit ist reif, tiefer in die Entwicklung von Software für Quantencomputer einzusteigen!