EniQmA: Ermöglichung hybrider Quantum-Anwendungen

Abstract

Industriell relevante Quantencomputing-Anwendungen basieren nahezu durchgängig auf hybriden Architekturen, die klassische Software mit Implementierungen von Quantenschaltkreisen kombinieren. Zu Beginn von EniQmA erfolgte die Erstellung solcher Anwendungen jedoch überwiegend ad-hoc, wodurch ein gezieltes, ingenieurmäßiges Vorgehen bei der Entwicklung hybrider quanten-klassischer Anwendungen fehlte. Im Projekt EniQmA sollte dieses Defizit anhand konkreter industrieller Use Cases behoben werden. Ein EniQmA-basiertes Quantum-Software-Engineering sollte dabei methodische Ansätze, Vorgehensmodelle und Qualitätskriterien für die Entwicklung hybrider Anwendungen, den Einsatz entsprechender Werkzeuge und Laufzeitumgebungen sowie den Betrieb der Anwendungen umfassen. Neueste Techniken und Algorithmen, wie Warm Starting und Erweiterungen variationaler Quantenalgorithmen, wurden als wesentliche Aufgaben/Vorhaben im Rahmen von EniQmA für hybride Anwendungen entwickelt. Zusätzlich wurden Werkzeuge bereitgestellt, die den Vergleich klassischer und quantum-basierter Bausteine für hybride Anwendungen ermöglichen und ein umfassendes Benchmarking erlauben. Die Analyse hybrider Anwendungen sollte unter anderem der optimalen Ressourcenallokation auf den zur Verfügung stehenden Quantum Processing Units dienlich sein. Die entwickelten Konzepte wurden im Verlauf des Projekts als Prototypen realisiert und in das PlanQK-Ökosystem integriert. Dadurch konnten erste Experimente und Feldversuche von PlanQK-Entwicklern durchgeführt werden, sodass die vorgeschlagenen Konzepte, Algorithmen und Prozesse fundiert evaluiert und auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse angepasst wurden. Durch die angestrebten methodischen und algorithmischen Entwicklungen, die direkt in die Entwicklung von Werkzeugen zur Systematisierung des Quantum-Software-Engineerings einflossen, erwarteten die Projektpartner neue Verwertungsmöglichkeiten im Bereich Beratungsdienstleistungen, Geschäftsmodelle für die Produktentwicklung sowie die Etablierung von PoC-Implementierungen über die Use Cases hinweg. Auf wissenschaftlicher Ebene sollten insbesondere die algorithmischen Weiterentwicklungen den Grundstein für neue Forschungsvorhaben legen und die Ko-Entwicklung hybrider Runtimes als Referenz stärken. Die neuartigen Konzepte, Prozesse und Algorithmen, die im Rahmen von EniQmA erforscht und entwickelt wurden, sollten bis zu einem Reifegrad gehärtet werden, der eine Evaluation als Prototyp in relevanten Einsatzumgebungen ermöglichte. Die abschließende Härtung und Qualitätssicherung (bis hin zur Produktisierung) basiert auf den Ergebnissen von EniQmA und wurde in den Verwertungsplänen und Roadmaps der beteiligten Industriepartner konkretisiert. Industrially relevant quantum computing applications are almost normally based on hybrid architectures that combine classical software with implementations of quantum circuits. At the outset of EniQmA, however, the development of such applications was largely carried out in an ad-hoc manner, lacking a targeted, engineering-driven approach to the development of hybrid quantum–classical applications. The EniQmA project aimed to address this deficit using concrete industrial use cases. EniQmA-based quantum software engineering was intended to encompass methodological approaches, process models, and quality criteria for the development of hybrid applications, the use of appropriate tools and runtime environments, and the operation of these applications. State-of-the-art techniques and algorithms, such as warm starting and extensions of variational quantum algorithms, were developed as key tasks and initiatives within EniQmA for hybrid applications. In addition, tools were provided that enable the comparison of classical and quantum-based components for hybrid applications and allow for comprehensive benchmarking. The analysis of hybrid applications was intended, among other things, to support the optimal allocation of resources on the available quantum processing units. Over the course of the project, the developed concepts were realized as prototypes and integrated into the PlanQK ecosystem. This enabled initial experiments and field trials by PlanQK developers, allowing the proposed concepts, algorithms, and processes to be thoroughly evaluated and adapted based on the insights gained. Through the intended methodological and algorithmic developments, which directly fed into the development of tools for the systematization of quantum software engineering, the project partners discovered new exploitation opportunities in the area of consulting services, business models for product development, and the establishment of proof-of-concept implementations across use cases. At the scientific level, the algorithmic advancements in particular are expected to lay the foundation for new research initiatives and to strengthen the co-development of hybrid runtimes as a reference. The novel concepts, processes, and algorithms researched and developed within EniQmA were to be matured to a level that would allow their evaluation as prototypes in relevant application environments. Final hardening and quality assurance (up to productization) are based on the results of EniQmA and were specified in the exploitation plans and roadmaps of the participating industry partners.