International erfolgreich mit Quantencomputing-Arbeiten

03.03.2021
Von: Prof. Dr. Wolfgang Mauerer

Am Labor für Digitalisierung entstanden einige einschlägige Arbeiten rund um das Quantencomputing. Neben einem Research-Master-Projekt, für dessen Präsentation es den Best-Video-Award gab, etwa auch eine Arbeit zum Thema "SAT-Solving".

Von links: Prof. Dr. Wolfgang Mauerer, Leiter des Labors für Digitalisierung, gemeinsam mit Irmi Sax, die im Rahmen der 7th ACM International Conference on Computing Frontiers den Best-Video-Award erhielt.

Von links: Prof. Dr. Wolfgang Mauerer, Leiter des Labors für Digitalisierung, gemeinsam mit Irmi Sax, die im Rahmen der 7th ACM International Conference on Computing Frontiers den Best-Video-Award erhielt. Foto: OTH Regensburg/Daniel Pfeifer

Quantencomputer sind eine neue Klasse von Rechnern, deren Funktionsprinzip auf fragilen physikalischen Effekten der Quantenmechanik beruht. Trotz des revolutionären Potenzials der Maschinen gibt es viele Unklarheiten, ob und welche praktischen Probleme sich damit lösen lassen. Zwei Forschungsarbeiten aus dem Labor für Digitalisierung an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg (OTH Regensburg), die auf hochklassigen internationalen Konferenzen und Workshops zur Publikation angenommen wurden, konnten beide Aspekte beleuchten.

Research-Master-Projekt zusammen mit der LMU München

Die Ergebnisse des Research-Master-Projekts von Irmi Sax, die in Zusammenarbeit mit Kollegen und Kolleginnen der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München erarbeitet wurden, befassen sich mit Quantenannealern, einer prototypisch verfügbaren Klasse von Spezialzweck-Quantencomputern. Die Systeme liefern approximative Lösungen für Optimierungsprobleme; die Arbeit "Approximate approximation on a quantum annealer" betrachtete eine weitere Stufe der Approximierung, bei der bewusst approximierte Varianten der Grundprobleme approximiert gelöst werden.

Der erhoffte Vorteil dieses durch das Team erdachten Verfahrens: Die Qualität der Lösungen nimmt nur in praktisch unbedeutender Weise ab, während substanziell weniger des wertvollen und bislang nur in kleinen Mengen verfügbaren Quantenspeichers benutzt wird – was im Gegenzug die Lösung größerer Probleminstanzen ermöglicht. Die experimentelle Analyse identifizierte Chancen und Beschränkungen fundamentaler Probleme von "Number Partitioning" über "Graph Colouring und -Isomorphismus" bis hin zu "Travelling Salesman".

Best-Video-Award für Irmi Sax

Auch wenn die 17th ACM International Conference on Computing Frontiers, eine CORE A-Konferenz, aufgrund der COVID-19-Pandemie nur als virtuelles Format stattfinden konnte, überzeugte die Studierende Irmi Sax als Vortragende, die so gut sprach, dass dies mit dem Best-Video-Award honoriert wurde. Ebenfalls wurde die Arbeit mit einer "Badge" für die quelloffene Bereitstellung aller Forschungsartefakte und Quellcodes ausgezeichnet. Innerhalb weniger Wochen wurde die Arbeit bereits mehr als zehnmal von der internationalen Forschungsgemeinde zitiert.

Präsentation beim "Quantum Software Engineering"-Workshop 

Auf der renommierten ICSE-Konferenz (International Conference on Software Engineering, CORE A*) fand 2020 erstmals ein "Quantum Software Engineering"-Workshop statt, bei dem die Forscher Tom Krueger und Prof. Dr. Wolfgang Mauerer vom Regensburger Labor für Digitalisierung eine grundlagenorientierte Arbeit veröffentlichen konnten, die sich mit dem SAT-Problem auf Quantenannealern beschäftigt. Das SAT-Problem ist eine der fundamentalsten informatischen Fragestellungen, die auf die Lösbarkeit aussagenlogischer Formeln abzielt. Dessen effiziente Lösung würde automatisch effiziente Algorithmen für einen Großteil aller praxisrelevanten Algorithmen nach sich ziehen. 

Die Arbeit "Quantum Annealing-Based Software Components: An Experimental Case Study with SAT Solving" beleuchtete neben den technischen Aspekten der Integration von Quanten-SAT-Algorithmen in bestehende Softwarearchitekturen, die einen geregelten Übergang hin zu neuen Quantentechnologien ermöglicht, insbesondere auch die zur Transformation von SAT auf Quantenannealer notwendige Mathematik. Die bislang bekannten Verfahren konnten mithilfe einer neu erdachten Methode gegenüber dem bisherigen Stand der Wissenschaft in Bezug auf Ergebnisqualität, aber auch im Hinblick auf die effiziente Nutzung von Quantenressourcen substanziell gesteigert werden.

Quantencomputing lange schon Wahlfach an der OTH Regensburg

Das Thema Quantencomputing ist an der OTH Regensburg als einer von wenigen Hochschulen bundesweit seit vielen Semestern als Wahlfach im Fächerkanon der Informatik verankert: Auch wenn universell eingesetzte Maschinen und Chips vermutlich erst in einigen Jahren zur Verfügung stehen werden, ist es wichtig, die aktuelle Ingenieursgeneration frühzeitig an die neuen Techniken heranzuführen, da sich die Denkmuster radikal von bisherigen Programmieransätzen unterscheiden.

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