Verbundprojekt: Zentraler Softwarestack für Quantencomputer (QCStack) - Teilvorhaben: Softwarepaket für Kalibrierung, Charakterisierung und Kontrolle

Abstract

Aufgabenstellung und wissenschaftlich-technischer Ausgangspunkt: Das Verbundprojekt QCStack (Förderkennzeichen 13N15921) hatte zum Ziel, einen hardwareagnostischen, technologieübergreifenden Middleware-Softwarestack für gatterbasierte Quantencomputer zu entwickeln – die entscheidende Schicht zwischen dem Quantenprozessor (QPU) und den höheren Anwendungsebenen. Das Konsortium umfasste drei Partner: Fraunhofer ITWM (Verbundkoordinator, Schwerpunkt Compiler und Scheduler), Qruise GmbH (Schwerpunkt Kalibrierung, Charakterisierung und Kontrolle, Hauptverwertungspartner) sowie die Freie Universität Berlin (FU Berlin, Schwerpunkt optimale Quantensteuerung). Zum Zeitpunkt des Projektbeginns im Februar 2022 fehlte ein universell einsetzbarer, hardware-unabhängiger Quantencomputer-Softwarestack vollständig. Existierende Lösungen waren entweder herstellerspezifisch und proprietär (IBM Qiskit, AWS Braket) oder deckten nur Teilbereiche des Stacks ab. Zentrale Komponenten wie automatisierte Kalibrierung, kontinuierliche Rekalibrierung und QPU-Scheduling galten als Geschäftsgeheimnis der großen Cloud-Anbieter und waren als eigenständige Produkte nicht erhältlich. Das C³-Framework (Combined Characterization and Control), das die Gründer von Qruise entwickelt hatten, bildete den wissenschaftlichen Ausgangspunkt für das Teilvorhaben. Ablauf des Vorhabens: Das Projekt lief über vier Jahre (Februar 2022 bis Dezember 2025) mit einer kostenneutralen Laufzeitverlängerung um zwölf Monate, die Mitte 2024 beantragt und bewilligt wurde. Der Halbzeitmeilenstein (MS2, Monat 18) wurde am 31. Juli 2023 erfolgreich beim Projektträger präsentiert und formal bestätigt. Die technische Arbeit gliederte sich in fünf Arbeitspakete (AP0–AP5). Der Qruise-Anteil konzentrierte sich auf AP2 (Inbetriebnahme und Rekalibrierung), AP3 (Compiler/Scheduler, unterstützende Rolle), AP1 (optimale Steuerung, Algorithmen-Schnittstellen) sowie AP4 (Systemintegration und Evaluation). Wesentliche Ergebnisse: Qruise hat im Rahmen des QCStack-Projekts zwei Kernprodukte entwickelt, die den MVP-Status erreicht haben: QruiseML, eine JAX-basierte Simulations- und Modellierungsbibliothek (qruise-toolset 2.0), und QruiseOS, ein vollautomatisiertes Kalibrierungs- und Betriebssystem für Quantencomputer. Beide Produkte wurden auf sechs verschiedenen QPU-Plattformen und drei Kontrollhardware-Ökosystemen validiert. Für 2-Qubit-Gatter wurden Fidelitäten von ca. 98 % durch Closed-Loop-Kalibrierung erzielt. Die entwickelten Produkte werden zukünftig durch die Qruise GmbH kommerzialisiert.