Forschende am KIT bereiten sich auf den Durchbruch vor

Genau diese Frage stellen sich Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). In einem neuen Projekt entwickeln sie Software für Quantencomputer – auch wenn es bislang noch keine praxistauglichen Geräte gibt. Und es könnte noch Jahrzehnte dauern, bis sich das ändert. Doch wenn die Hardware eines Tages bereitsteht, soll nicht erst wertvolle Zeit vergehen, um passende Programme zu entwickeln. Denn eines ist klar: Ohne Software bleibt selbst der leistungsfähigste Quantencomputer nutzlos.

„Wenn der große Durchbruch kommt, wollen wir vorbereitet sein“, sagt Professorin Ina Schaefer vom Institut für Informationssicherheit und Verlässlichkeit (KASTEL) des KIT . Quantencomputer gelten als Hoffnungsträger für extrem komplexe Aufgaben – etwa bei der Entwicklung neuer Materialien oder der Optimierung weltweiter Lieferketten. Im Moment sind sie allerdings kaum mehr als empfindliche Laborexperimente. Die aktuellen Modelle der großen Tech-Firmen haben weniger Rechenleistung als ein Taschenrechner, sind störanfällig und liefern oft unzuverlässige Ergebnisse.

Warum Software schon jetzt entscheidend ist

Trotzdem macht die Softwareentwicklung Sinn. „Wir simulieren Quantencomputer auf klassischen Rechnern und testen unsere Programme an kleinen Beispielen“, erklärt Domenik Eichhorn, ebenfalls vom KASTEL. Er erinnert an die sogenannte Softwarekrise der 1960er-Jahre: „Damals gab es plötzlich leistungsstarke Computer, aber kaum brauchbare Programme, um sie wirklich zu nutzen. Diesen Fehler wollen wir diesmal vermeiden.“

Programmieren wie in den 1950ern

Schon heute gibt es erste Programmiersprachen für Quantencomputer, zum Beispiel Qiskit oder Q#. „Sie sind sehr nah an der Hardware – ähnlich wie die frühen Computersprachen“, sagt Eichhorn. Das heißt: Wer damit arbeitet, muss genau verstehen, wie ein Quantencomputer im Inneren rechnet. Komfortfunktionen wie automatische Fehlerkorrektur oder benutzerfreundliche Oberflächen fehlen noch. „Das erinnert an die Anfangszeit der Informatik“, so Eichhorn. „Damals programmierten die Leute noch mit Lochkarten oder Sprachen wie Assembler, die direkt mit dem Prozessor sprechen. Heute ist es bei Quantencomputern ähnlich – nur dass die Technologie dahinter um ein Vielfaches komplexer ist.“

Was Quantencomputer so besonders macht

Der größte Unterschied: Quantencomputer arbeiten nicht mit klassischen Bits, sondern mit sogenannten Qubits. Diese können dank quantenmechanischer Effekte wie Superposition und Verschränkung mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Das ermöglicht theoretisch eine enorme Rechenleistung. „Die Herausforderung ist es, Algorithmen zu entwickeln, die mit Wahrscheinlichkeiten umgehen können und trotzdem verlässliche Ergebnisse liefern“, sagt Eichhorn.

Forschung im Verbund

Um Quantencomputer in Zukunft tatsächlich einsetzen zu können, bündeln Wissenschaft und Industrie ihre Kräfte. Am 1. September startet das Schwerpunktprogramm Quantum Software, Algorithms, and Systems, dazu läuft das Projekt QuSol. Beide Initiativen bringen Partner aus Forschung und Wirtschaft zusammen. Das KIT entwickelt dabei insbesondere Software, die sich an realen Anwendungen orientiert – zum Beispiel in der Logistik, Materialforschung oder Kryptografie. Gefördert werden die Programme von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).