Best Paper Award: Eine 'Rechtschreibprüfung' für Quantencomputer

Während herkömmliche Computer Berechnungen nur mit Einsen und Nullen durchführen, nutzen Quantencomputer „Qubits“, die gleichzeitig in einer Superposition von 1 und 0 existieren können. Diese einzigartige Eigenschaft erweitert die Rechenmöglichkeiten von Quantensystemen drastisch und ermöglicht es ihnen potenziell, bestimmte Probleme viel schneller zu lösen als klassische Computer. 

Allerdings macht diese zusätzliche Komplexität auch die Softwareentwicklung für Quantencomputer weitaus anspruchsvoller. Schon bei herkömmlichen Programmen ist die Suche nach Bugs nicht einfach, und die Verwendung von Qubits verstärkt diese Herausforderungen und macht die Fehlererkennung und -behebung im Quantenbereich nur noch komplizierter.

Automatisiertes Debugging von Quantenprogrammen

Um Entwickler zu unterstützen, haben Damian Rovara, Lukas Burgholzer und Robert Wille vom Lehrstuhl für Design Automation der TUM damit begonnen, an Debugging-Technologien für Quantencomputer zu arbeiten, die Fehler ähnlich wie eine Rechtschreibprüfung beseitigen. Die entwickelten automatisierten Methoden versuchen, so viel quantenbasierte Komplexität wie möglich zu verbergen. Mithilfe von „Assertions“ (simple „Sanity-Checks“, die während der Ausführung eines Programms die Frage stellen: „Ist alles noch so, wie wir es erwarten?“) überprüfen sie, ob Quantenprogramme korrekt sind.

„Wer würde heute noch einen Aufsatz ohne Rechtschreibprüfung schreiben? Wir entwickeln das Äquivalent für Quantenprogrammierer, um sicherzustellen, dass ihre revolutionären Ideen in fehlerfreien Code umgesetzt werden können“, erklärt Lehrstuhlinhaber Robert Wille zum Projekt.

Internationale Anerkennung im Bereich Quantencomputing

Obwohl die Verwendung von Assertions in der konventionellen Programmierung eine gängige und relativ einfache Methode ist, wird dieser Prozess durch die einzigartigen Herausforderungen im Quantum Computing weitaus komplizierter. Aus diesem Grund entwickelte das Team einen Ansatz, um automatisch qualitativ hochwertige Assertions für Quantenprogramme zu generieren. Dieser Durchbruch vereinfacht einen ansonsten arbeitsintensiven und fehleranfälligen Prozess erheblich und macht das Debugging im Quantum Computing sowohl einfacher als auch zuverlässiger.

Die Bedeutung dieser Arbeit wurde nun auch von der Quantum Computing Community gewürdigt. Auf der IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering wurde ihr Paper “Automatically Refining Assertions for Efficient Debugging of Quantum Programs” mit einem der renommierten „Best Paper Awards“ ausgezeichnet. Die Konferenz ist eine der größten Veranstaltungen in diesem Sektor und bringt fast 2.000 Expertinnen und Experten aus Wissenschaft, Industrie und Lehre zusammen.

Weitere Details zum Projekt und eine Open-Source-Implementierung finden Sie auf der Webseite des Lehrstuhls für Design Automation sowie im Munich Quantum Toolkit der Gruppe.