Europäischer Software-Stack für hybrides Quantencomputing

Quantencomputer versprechen neue Lösungswege für komplexe Aufgaben in Wissenschaft und Industrie. Damit dieses Potenzial praktisch nutzbar wird, müssen sie effizient mit klassischen Hochleistungsrechnern zusammenarbeiten. Das EU-Projekt EuroQSS entwickelt dafür einen offenen und interoperablen Quanten-Software-Stack (QSS), der bestehende europäische Ansätze verbindet und den Zugang zu hybriden Quanten-Klassik-Anwendungen vereinfacht. EuroQSS vereint dafür 13 Projektpartner aus sieben europäischen Ländern.

Die europäische Quanten-Softwarelandschaft ist bislang fragmentiert: Viele Software-Stacks sind auf einzelne Hardwareplattformen zugeschnitten, nur begrenzt in HPC-Infrastrukturen integriert und noch nicht auf fehlertolerantes Quantencomputing (FTQC) vorbereitet. Forschende und Unternehmen müssen sich daher in unterschiedliche Systeme einarbeiten und zahlreiche technische Entscheidungen selbst treffen, die eigentlich automatisiert werden könnten. EuroQSS will diese Hürden durch gemeinsame Schnittstellen, durchgängige hybride Workflows und geeignete Abstraktionsschichten verringern.

EuroQSS führt mehrere bestehende europäische Ansätze in einer universellen, modularen Architektur mit offenen Schnittstellen zusammen. Dabei unterstützt EuroQSS durchgängige hybride Quanten-Klassik-Workflows und schafft die nötige Abstraktion, damit Unternehmen, Forschende und Softwareentwickelnde Quantentechnologien nutzen können, ohne sich mit den Details einzelner Hardwareplattformen befassen zu müssen. Die Programmierung bleibt dabei weitgehend hardwareunabhängig. Offene Schnittstellen auf allen Ebenen ermöglichen die einfache Einbindung bestehender und künftiger Komponenten, egal ob Open Source oder kommerziell. So entsteht ein flexibles europäisches Quanten-Ökosystem, das unterschiedliche Technologien verbindet und sich kontinuierlich erweitern lässt.

Damit hybride Quanten-Klassik-Anwendungen zuverlässig ausgeführt werden können, koordiniert EuroQSS die klassischen und quantenbasierten Rechenschritte innerhalb einer gemeinsamen Infrastruktur. Eine auf QUARK aufbauende Benchmarking-Pipeline erfasst dabei Kriterien wie Laufzeit, Genauigkeit und Ressourcennutzung. Die Ergebnisse fließen in eine zentrale Benchmarking-Datenbank ein. Darauf aufbauend unterstützt ein KI-gestütztes Empfehlungssystem, das den QuaST Decision Tree weiterentwickelt, Anwenderinnen und Anwender bei der Auswahl geeigneter Quantenprozessoren, Compiler und Ausführungsstrategien. So verbindet EuroQSS hardwareunabhängige Programmierung mit hardwarespezifischer Optimierung und schafft eine Grundlage, die heutige NISQ-Systeme („Noise Intermediate-Scale Quantum“) ebenso berücksichtigt wie künftige fehlertolerante Quantencomputer.

Mit dem angestrebten Technologiereifegrad 6 („Prototyp in Einsatzumgebung“) schafft EuroQSS einen europaweit nutzbaren Software-Stack für Forschung, Softwareentwicklung und industrielle Erprobung im Quantencomputing. Forschende profitieren von reproduzierbaren Experimenten und vergleichbaren Benchmarks. Unternehmen können hybride Quantenanwendungen mit geringerem Anpassungsaufwand nutzen, technische Optionen besser bewerten und Abhängigkeiten von einzelnen Anbietern reduzieren.

Der Fokus des Projekts EuroQSS liegt auf einer hohen Praxistauglichkeit für die Industrie. Deswegen testen die Projektpartner den Quanten-Software-Stack in fünf Anwendungsfällen:

• Simulationen in der Chemie und Materialwissenschaft
• Strömungsdynamik in der Luft- und Raumfahrt
• Quanten-gestützte KI
• Industrielle Optimierung
• KI-gestützte Hardwarecharakterisierung

Alle Referenzanwendungen kombinieren Quanten- und HPC-Komponenten, sind von NISQ bis FTQC skalierbar und werden anhand gemeinsamer Metriken bewertet.

Mit Schulungsunterlagen für industrielle Anwender und Softwareentwickler stellen die Projektpartner außerdem den schnellen Wissenstransfer sicher und holen zeitnahes Feedback aus der Anwendungsindustrie ein.

EuroQSS wird bis zum Projektende 2029 einen offenen, interoperablen und europaweit nutzbaren Quanten-Software-Stack bereitstellen.

Was nach dem erfolgreichen Projektabschluss möglich sein wird:

1. Hybride Quanten-Klassik-Anwendungen können einfacher umgesetzt werden. Das ist zentral für die Nutzung von Quantencomputing, denn sie wird immer im Zusammenspiel mit klassischen Computern erfolgen. In diesen hybriden Anwendungen liegt der Quantenvorteil.
2. Entwickler und Anwender können Quantenhardware effizienter nutzen, auch ohne Expertenkenntnis der technischen Details.
3. Unterschiedliche Quantenplattformen können über gemeinsame Schnittstellen integriert werden. EuroQSS ermöglicht hardwareunabhängige Programmierung bei gleichzeitig hardwarespezifischer Optimierung.
4. Mit den entwickelten Benchmarking- und Evaluierungsverfahren lässt sich die Leistungsfähigkeit der neuen Lösungen reproduzierbar bewerten.
5. Europäische Unternehmen erhalten leichter Zugang zu Quantencomputing-Technologien.

Damit schließt das EU-Projekt EuroQSS die Lücke zwischen Quantenhardware und industrieller Anwendung und macht Quantencomputing praktisch nutzbar.

Das europäische Konsortium und die Anbindung an bestehende Initiativen stärken außerdem ein offenes Quanten-Ökosystem und Europas technologische Souveränität.

Dieses Projekt wird von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms @HorizonEU gefördert.

Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die der Autorinnen und Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der Europäischen Union oder der Europäischen Kommission wider. Weder die Europäische Union noch der Zuwendungsgeber können dafür verantwortlich gemacht werden.