Wissenschaftler entwickeln erste Hochsprache für Quantencomputer

Informatiker an der ETH Zürich haben die erste Hochsprache entwickelt, mit der Quantencomputer genauso sicher und zuverlässig programmiert werden können wie klassische Computer. Der neue Durchbruch ist ein wichtiger Schritt vorwärts in der Quantencomputing-Technologie und macht es einfacher, Quantencomputer zu programmieren.

Martin Vechec ist Professor für Informatik im Secure, Reliable and Intelligent Systems Lab (SRI) der ETH.

“Die Programmierung von Quantencomputern ist immer noch eine Herausforderung für Forscher”, sagt Vechev. “Deswegen bin ich so aufgeregt, dass wir jetzt die Tradition der ETH Zürich in der Entwicklung von Quantencomputern und Programmiersprachen fortsetzen können.”

“Unsere Quanten-Programmiersprache Silq ermöglicht es Programmierern, das Potenzial von Quantencomputern besser auszunutzen als mit bestehenden Sprachen, da der Code kompakter, schneller, intuitiver und einfacher zu verstehen ist.”

Silq wurde auf der Programmiersprachen-Konferenz PLDI 2020 vorgestellt.

Quantencomputer vs. klassische Computer

Quantencomputing wird immer wichtiger und hat enormes Potenzial. Quantencomputer können Probleme schneller lösen als klassische Computer, indem sie verschränkte Quantenzustände verwenden. In diesen Zuständen überlappen Bits von Informationen zu bestimmten Zeitpunkten, und die Computer haben das Potenzial, Probleme zu lösen, die klassische Computer in angemessener Zeit nicht lösen können.

Im späten Sommer 2019 sah das Quantencomputing eine weitere große Entwicklung, als ein Quantencomputer ein bestimmtes Problem schneller lösen konnte als der schnellste klassische Computer.

Trotz der jüngsten Fortschritte gibt es noch viele Herausforderungen. Einige “Quantenalgorithmen” können aufgrund ihrer hohen Fehlerrate nicht auf Quanten-Hardware berechnet werden.

Die neue Sprache: Silq

Aktuelle Quanten-Programmiersprachen sind eng mit bestimmter Hardware verbunden und sind schwer zu handhaben und führen zu vielen Fehlern. Dies liegt an der Notwendigkeit extrem detaillierter Anweisungen für die Implementierung von Quantenalgorithmen.

Silq wurde entwickelt, um diese Herausforderung zu überwinden.

“Silq ist die erste Quanten-Programmiersprache, die nicht primär um die Konstruktion und Funktionalität der Hardware, sondern um die Denkweise der Programmierer entwickelt wurde, wenn sie ein Problem lösen wollen – ohne dass sie jedes Detail der Computerarchitektur und Implementierung verstehen müssen”, sagt Benjamin Bichsel, Doktorand und verantwortlich für die Überwachung von Silq.

Silq ist die erste Hochsprache für Quantencomputer, was bedeutet, dass sie ausdrucksstärker ist und weniger Code benötigt, um komplexe Aufgaben und Algorithmen zu beschreiben. Diese Art von Sprachen ist einfacher für Programmierer zu verwenden und kann auf verschiedene Computerarchitekturen angewendet werden.

Die neu entwickelte Sprache löst auch das Problem der Fehler. Klassische Computer verwenden die Methode der automatischen Löschung von Werten, um den Speicher zu entlasten, was als “Garbage Collection” bezeichnet wird. Bei Quantencomputern ist dies ein größeres Problem aufgrund der Quantenverschränkung, die dazu führen kann, dass zuvor berechnete Werte mit aktuellen Werten interagieren. Dies kann zu Interferenzen mit der korrekten Berechnung führen, so dass eine fortgeschrittene Rechnertechnik verwendet werden muss.

“Silq ist die erste Programmiersprache, die automatisch Werte identifiziert und löscht, die nicht mehr benötigt werden”, erklärt Bichsel.

Um dies zu tun, werden nur Programmierbefehle verwendet, die keine speziellen Quantenoperationen enthalten, in ihrer Unberechnungsmethode.

“Unser Team von vier hat den Durchbruch nach zwei Jahren Arbeit erzielt, dank der Kombination unterschiedlicher Expertise in Sprachdesign, Quantenphysik und Implementierung. Wenn andere Forschungs- und Entwicklerteams unsere Innovationen übernehmen, wird es ein großer Erfolg sein”, sagt Bichsel.