Wie im klassischen Computing übertragen Compiler höhere Programmiersprachen in die Sprache der Computer. Im Quantencomputing übersetzen sie etwa in Quantum Assembly Language (QASM) programmierte Befehle in ein spezifisches Instruction Set für einen Quantencomputer. Diese Befehle bestimmen wiederum den Zustand und die Verschränkungen, die eine bestimmte Menge von Qubits, die kleinsten Recheneinheiten im Quantencomputing, für diese Aufträge einnehmen müssen. Dabei hilft beim neuen Compiler das so genannte ZX-Kalkül, ein Graph oder Diagramm zur Abbildung von Quantenprozessen: „Wir schaffen damit in unserem Compiler eine Abstraktion über Schaltkreise“, berichtet Korbinian Staudacher, Doktorand am LMU-Institut für Informatik. „Das hilft, zwischen zwei verschiedenen Rechenmodellen des Quantencomputings zu wechseln, also zwischen Einweg- und Gatter-Modell.“

Robuste, vielseitige Photonen

Der Compiler, eigentlich fürs photonische Quantencomputing entwickelt, könnte dadurch auch zur Steuerung anderer Qubit-Arten eingesetzt werden. Quantencomputer rechnen anders: Neben Photonen können sie mit Elektronen, gefangenen Ionen, gekühlten Atomen arbeiten, die in Ionenfallen, aus Diamanten oder mit Supraleitern produziert werden. Während klassische Rechner mit den Bit-Zuständen 1 oder 0 arbeiten und eindeutige Ergebnisse in Binärcode ausgeben, nutzen Quantencomputer außerdem die Überlagerung dieser Zustände, die Superposition, darüber hinaus Verschränkungen oder Verbindungen, die Qubits miteinander eingehen. Quantencomputern stehen dadurch weit mehr und fundamental andere Rechenressourcen zur Verfügung. Sie sollen damit komplexere Operationen effizienter ausführen, für die konventionelle Computer zu lange brauchen, und gleichzeitig sogar Rechnungen mit unterschiedlichen Werten durchspielen können. Am Ende liefern sie als Resultat Wahrscheinlichkeiten, keine eindeutigen Ergebnisse.

Die Art der Qubits bestimmt dabei die Technik der neuen Computer: „Photonen müssen nicht so stark gekühlt werden, lassen sich in Raumtemperatur prozessieren, brauchen kein Vakuum und zeigen sich sehr robust gegenüber Außeneinflüssen“, erklärt Zilk Vorteile. „Trotzdem sind im Supercomputing-Umfeld Quantencomputer auf Ionenfallen- oder Supraleiterbasis weit verbreitet – wir wollten auf der SC22 die Vorteile von Photonen demonstrieren.“ Ein Teil der Forschungsgruppe entwickelt den Compiler nun weiter.

F. Zilk, K. Staudacher, T. Guggemos, K. Fürlinger, D. Kranzlmüller, Ph. Walter: A Compiler for universal photonic Quantumcomputers, Dallas 2022, Workshop-Proceedings, 8 Seiten.