Die Entwicklung von Quantenalgorithmen, die potenziell einen exponentiellen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber klassischen Algorithmen besitzen, stößt in Wirtschaft und Wissenschaft auf ein breites Interesse. Bisher fehlt jedoch die Möglichkeit diese Algorithmen in einer barrierefreien und nutzerfreundlichen Quantenprogrammierung, wie sie aus der klassischen Informatik bekannt ist, umzusetzen. Im Projekt »Qompiler – Standardisierter Quanten Software Stack« entsteht daher ein Software-Stack mit einer höheren Quantenprogrammiersprache.

Die Programmiersprache, die im Qompiler-Projekt entsteht, soll dabei über die aktuell etablierten, assemblerartigen Sprachen hinausgehen und viele der kleinschrittigen Elemente automatisieren. Im Projekt wird darüber hinaus ein Compiler entwickelt, der auf dem ZX-Kalkül, einer kategoriellen Beschreibung der Quantenmechanik, basiert. Auf diese Weise wird die Optimierung der generierten Quantenschaltkreise und eine ideale Einbindung hybrider Algorithmen ermöglicht.

Über eine Firmware für einen Ionen-basierten Quantencomputer und eine Schnittstelle zu den höheren Softwareebenen, die beide im Qompiler-Projekt entwickelt werden, können die erstellten und kompilierten Schaltkreise auch auf einem deutschen Quantenrechner ausgeführt werden. Zum Ende des Projektes sollen die Ergebnisse, insbesondere die entwickelten Schnittstellen zwischen Firmware und Compiler, in Standardisierungsaktivitäten überführt werden.

Fraunhofer FOKUS übernimmt im Qompiler-Projekt die Gesamtkoordination und ist verantwortlich für die Entwicklung der höheren Quantenprogrammiersprache, die komplexe Quantenroutinen automatisiert und so die Einstiegshürde in die Quantencomputerprogrammierung senkt. FOKUS unterstützt im Projekt bei der Entwicklung der Firmware, insbesondere dem Hardware-spezifischen Compiler. Außerdem sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Ausarbeitung einer standardisierbaren Schnittstelle und der Integration hybrider Algorithmen beteiligt.

Mit dem im Projekt geplanten Entwicklungen bietet Qompiler die Grundlage für ein lebendiges, offenes und herstellerunabhängiges Ökosystem, so dass die Gefahr von Vendor Lock-In Effekten stark reduziert wird. Als Ziel haben sich die FOKUS-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler auch den Ausbau von Schulungsaktivitäten rund um das Thema Quantencomputing gesetzt. Durch die Entwicklung der höheren Programmiersprache in Kombination mit angepassten Schulungen kann so die Einstiegshürde deutlich gesenkt, ein schnellerer Lernerfolg erzielt und somit ein einfacherer Zugriff auf Quantencomputing-Ressourcen, insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen, ermöglicht werden.

Am Projekt sind neben Fraunhofer FOKUS auch die eleQtron GmbH, Universität Siegen, TU Berlin und das Deutsche Institut für Normung e. V. beteiligt. Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).