Verbundvorhaben Qompiler - Standardisierter Quanten Software Stack

Abstract

Quantencomputing bietet durch Quantenalgorithmen exponentielle Vorteile in wichtigen Anwendungsbereichen wie Optimierung, Quantensimulation und Kryptographie. Um die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft zu sichern, ist neben den Fortschritten in der Quantenhardware auch die Entwicklung professioneller Quantensoftware entscheidend. Über das Förderprogramm "Quanten-Computing – Anwendungen für die Wirtschaft" adressiert das Qompiler-Projekt diese Herausforderung durch drei Kernthemen: Erstens die Entwicklung generischer Entwicklungswerkzeuge wie Eclipse Qrisp, eine höhere Programmiersprache für Quantencomputer, die als Teil der unabhängigen Eclipse Foundation eine technologieoffene Alternative zu unternehmensgebundenen Frameworks bietet. Zweitens die Entwicklung hybrider Quantensoftware-Lösungen, die klassische Computing-Ressourcen mit Quantencomputersystemen integrieren. Im Qompiler-Projekt wurden dazu verschiedene hybride Quantenalgorithmen implementiert und auf Hardware des Partners eleQtron getestet. Das dritte Kernthema umfasst Co-Design-Methoden für die koordinierte Soft- und Hardware-Entwicklung. Hierzu wurde eine Firmware für einen ionenbasierten Quantencomputer entwickelt und direkt an einen speziellen Hardware-Compiler, ebenfalls im Projekt entwickelt, für diese Technologie angeschlossen, so dass in Eclipse Qrisp geschriebene Programme hardwareoptimiert ausgeführt werden können. Zur Förderung der Technologieoffenheit wurde die DIN SPEC 91520 erarbeitet, die erstmals eine einheitliche Netzwerkschnittstelle für die Übertragung kompletter Quantenprogramme zwischen Software-Frameworks und Quantencomputer-Backends definiert. Dies ermöglicht technologieneutrale Kommunikation für alle gatterbasierten Quantencomputer und vermeidet Vendor-Lock-In-Effekte. Quantum computing offers exponential advantages in important application areas such as optimization, quantum simulation, and cryptography through quantum algorithms. To secure the international competitiveness of the German economy, the development of professional quantum software is crucial alongside advances in quantum hardware. Through the funding program "Quantum Computing – Anwendungen für die Wirtschaft," the Qompiler project addresses this challenge through three core parts: First, the development of development tools such as Eclipse Qrisp, a high-level programming language for quantum computers that, as part of the independent Eclipse Foundation, offers a technology-agnostic alternative to proprietary frameworks. Second, the development of hybrid quantum software solutions that integrate classical computing resources with quantum computer systems. In the Qompiler project, various hybrid quantum algorithms were implemented and tested on hardware from partner eleQtron. The third core part encompasses co-design methods for coordinated software and hardware development. For this purpose, a firmware for an ion-based quantum computer was developed and directly connected to a specialized hardware compiler, also developed within the project, for this technology, so that programs written in Eclipse Qrisp can be executed in a hardware- optimized manner. To promote technology openness, the DIN SPEC 91520 was developed, which for the first time defines a uniform network interface for transmitting complete quantum programs between software frameworks and quantum computer backends. This enables technology-neutral communication for all gate-based quantum computers and avoids vendor lock-in effects.