Wie programmiert man einen Computer, den es noch nicht gibt? Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gehen dieser Frage in einem neuen Projekt nach und entwickeln Software für Quantencomputer – obwohl funktionsfähige Geräte bislang nicht existieren. Und das könnte noch für Jahrzehnte so bleiben. Aber sobald die Hardware verfügbar ist, soll nicht noch mehr Zeit vergehen, um sie benutzen zu können. Denn eines ist sicher: Ohne passende Programme bleibt auch der leistungsfähigste Quantencomputer nutzlos.
„Wenn der große Durchbruch kommt, wollen wir bereit sein“, sagt Professorin Ina Schaefer vom Institut für Informationssicherheit und Verlässlichkeit (KASTEL) des KIT. Quantencomputer gelten als Hoffnungsträger für besonders komplexe Aufgaben – etwa in der Materialforschung oder bei der Optimierung von Lieferketten. Doch bislang sind sie kaum mehr als empfindliche Laborexperimente. Das Hauptproblem ist die fehlende Praxistauglichkeit. Aktuelle Geräte der großen Tech-Firmen haben weniger Rechenpower als ein Taschenrechner, sind störanfällig und liefern oft unzuverlässige Ergebnisse.
Warum Software ohne Hardware Sinn ergibt
Trotzdem lohnt sich die Softwareentwicklung: „Wir simulieren Quantencomputer auf klassischen Rechnern und testen unsere Programme an kleinen Beispielen“, sagt Domenik Eichhorn ebenfalls vom KASTEL. Der Informatiker verweist auf die sogenannte Softwarekrise der 1960er-Jahre. „Damals gab es plötzlich leistungsfähige Computer, aber kaum brauchbare Programme, um sie auch einzusetzen. Das wollen wir dieses Mal vermeiden“, so Eichhorn.
Programmieren wie in der Computerfrühgeschichte
Es gibt auch schon spezielle Programmiersprachen wie Qiskit oder Q#. „Sie funktionieren ähnlich wie frühe Computersprachen sehr nah an der Hardware“, sagt der Informatiker. Das bedeutet: Wer damit programmiert, muss genau wissen, wie einzelne Rechenschritte im Inneren des Quantencomputers ablaufen. Funktionen wie automatische Fehlerkorrektur oder grafische Benutzeroberflächen, die bei modernen Programmiersprachen üblich sind, fehlen bislang. „Das ähnelt der Frühzeit klassischer Computer in den 1950er-Jahren“, sagt Eichhorn. „Damals mussten Programmierende noch mit Lochkarten oder sehr einfachen Sprachen wie Assembler arbeiten, die direkt mit dem Prozessor kommunizieren. So ähnlich ist es heute bei Quantencomputern, nur dass die zugrunde liegende Technologie deutlich anspruchsvoller ist.“
Was Quantencomputer besonders macht
Quantencomputer arbeiten nicht mit Bits, sondern mit Qubits. Diese können dank quantenmechanischer Effekte wie Superposition und Verschränkung mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Das ermöglicht theoretisch eine enorme Rechenleistung. Die Herausforderung: „Man muss Algorithmen entwickeln, die mit Wahrscheinlichkeiten arbeiten und trotzdem verlässliche Ergebnisse liefern“, erklärt Eichhorn.
Forschung im Verbund: KIT und Partner entwickeln Quanten-Software
Um den künftigen Einsatz von Quantencomputern in der Praxis vorzubereiten, bündeln das Quanten Schwerpunktprogramm „Quantum Software, Algorithms, and Systems“, das am 1. September startet, und das Projekt QuSol Forschungsaktivitäten aus Wissenschaft und Industrie. Forschende am KIT konzentrieren sich in diesen Initiativen auf die Entwicklung anwendungsorientierter Software und schaffen Grundlagen für spätere Anwendungen in Bereichen wie Logistik, Materialforschung oder Kryptografie. Gefördert wird das Schwerpunktprogramm von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), und QuSol vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).
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Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.
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