Fraunhofer IAO | Digital BusinessDie Potenziale des Quantencomputers nutzbar machen
SEQUOIA End-to-End - Transparentes Quanten-Software-Engineering und Algorithmendesign anwendungszentrierter End-to-End Lösungen
Herausforderung
Quantencomputer versprechen durch Geschwindigkeits- und Präzisionsvorteile enorme Potenziale für die Wirtschaft von Morgen, indem sie für bisher komplexe oder gar unlösbare Probleminstanzen perspektivisch hybride Lösungsansätze bereitstellen.
Eine performante Umsetzung hybrider Algorithmen mittels abstrahierter High-Level-Pakete heutiger Software Development Kits (SDKs) ist aktuell noch nicht effizient möglich.
Für derartige Lösungen sollten stets die Datenvor- und Nachbereitung sowie die Charakteristika gegenwärtiger QC-Hardware bzw. -Software (insbesondere hinsichtlich der Transpilationspipeline) umfänglich berücksichtigt werden.
Die Generierung solcher performanten und stabilen Lösungsansätze ist heutzutage nur durch einschlägiges Fachwissen möglich.
Wesentliches Ziel des Verbundforschungsprojekts SEQUOIA End-to-End ist es deshalb, die heutigen Engpässe im gesamten Quanten-Software-Entwicklungsprozess transparent zu machen und durch ganzheitliches Quanten-Software-Engineering performante, automatisierte und steuerbare End-to-End-Lösungen für industrielle Anwendungsfälle zu erforschen und bereitzustellen.
Methodik
In drei Fokusfeldern wird Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet:
Im ersten Feld wird ein präzises Verständnis aller Prozesse in der Quanten-Software-Entwicklung und insbesondere in deren Schnittstellen entwickelt. Darauf basierend wird eine optimale, algorithmenspezifische Nutzung aktueller Quantencomputer (insbesondere dem IBM Quantum System One Ehningen) mittels performanter Transpilations- und Fehlermitigationspipelines erforscht, sowie eine fundierte Potenzialabschätzung für die industriellen Anwendungsfälle des Unternehmensnetzwerkes abgeleitet.
Das zweite Fokusfeld ist dem Quanten-Software-Engineering gewidmet. Hier werden Werkzeuge und Werkzeugketten zur effizienten Entwicklung von Quantenapplikationen erforscht sowie Techniken für systematisches Testen und Debugging entwickelt, um Verlässlichkeit und damit industrielle Einsetzbarkeit zu ermöglichen.
Im dritten Fokusfeld werden basierend auf den industriellen Anwendungsfällen des Unternehmensnetzwerkes Benchmarks entwickelt, welche den Stand des Quantencomputings für verschiedene industrielle Fragestellungen quantifizieren. Es werden End-to-End-Demonstratoren entwickelt und bereitgestellt, welche Best-Practices für den gesamten Quanten-Software-Entwicklungsprozess liefern und diese auch für Fachleute ohne explizite Erfahrung mit Quantencomputing nachvollziehbar machen.
Ergebnis
- Transparenz und Weiterentwicklung des Quanten-Software-Entwicklungsprozesses:
Vom industriellen Anwendungsfall über problemspezifisches Algorithmendesign und optimale Transpilation hin zur Fehlermitigation, Postprocessing und Ergebnisverwertung. Nachvollziehbarkeit und Überwindung aktueller Engpässe in den vier Prozessschritten und insbesondere in deren Schnittstellen steht hierbei im zentralen Fokus.
- Quanten-Software-Engineering:
Werkzeuge, Werkzeugketten, Vorgehensweisen, Best Practices und systematische Design Space Exploration mit Fokus auf die reibungslose Verbindung und Steuerbarkeit der vier Prozessschritte des Quanten-Software-Entwicklungsprozesses.
- End-To-End-Lösungen:
Die Basis bilden acht Anwendungsfälle aus den Bereichen Produktion, Logistik, Engineering und Automotive. Daraus werden Demonstratoren und anwendungsspezifische Benchmarks entwickelt sowie ein Wissenstransfer in Industrie und Gesellschaft geleistet.