Microsoft kündigt Programmiersprache für Quantencomputer an

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Ein vom Untenehmen D-Wave vorgestellter, dedizierte Chip für einen Quantencomputer. Da Quantenrechner mit Qubits statt mit den herkömmlichen bekannten Bits arbeiten, sind grundlegend neue Ansätze für die Programmierung dieser Systeme nötig. Microsoft möchte diese Notwendigkeit adressieren und arbeitet daher an einer dedizierten Quantencomputer-Programmiersprache.
Ein vom Untenehmen D-Wave vorgestellter, dedizierte Chip für einen Quantencomputer. Da Quantenrechner mit Qubits statt mit den herkömmlichen bekannten Bits arbeiten, sind grundlegend neue Ansätze für die Programmierung dieser Systeme nötig. Microsoft möchte diese Notwendigkeit adressieren und arbeitet daher an einer dedizierten Quantencomputer-Programmiersprache. (Bild: DWave_128chip.jpg / DWave_128chip.jpg / D-Wave / CC BY-SA 3.0 / CC BY-SA 3.0)

Quantencomputer gelten als ein zukunftsträchtiges Thema in der Forschung. Doch die meisten Bemühungen konzentrieren sich noch darauf, eine entsprechende funktionierende Hardware zu entwickeln. Microsoft denkt bereits einen Schritt weiter.

Quantencomputing ist derzeit ein viel diskutiertes Forschungsthema. Unterschiedliche Hersteller haben bereits erste Erfolge hinsichtlich Tests entsprechender Hardware gemeldet. So verkündete Google erfolgreiche Funktionstests mit dem D-Wave Quantensimulator. Parallel dazu erarbeitet IBM seinen IBM Q genannten Dienst. Im Mai meldete das Unternehmen erfolgreiche Tests mit einem 17-Qubit-Prozessor. Experten schätzen, dass voll funktionale Quantencomputer innerhalb der nächsten fünf bis 20 Jahre zur Verfügung stehen könnten.

Die meisten Forschungen zielen derzeit allerdings noch auf die Hardware ab. Es gilt, ein zuverlässiges Medium für die Ausführung von Quantenberechnungen zu schaffen. Die zur eigentlichen Programmierung dieser neuen Systeme verwendeten Programmiersprachen waren dabei eher zweitrangig. Microsoft möchte diese Lücke schließen: Das Softwareunternehmen plant die Veröffentlichung einer eigenen Quanten-Programmiersprache. Diese soll wie andere gängige Programmiersprachen ein voll kompatibler Bestandteil des hauseigenen Visual Studio werden. Das meldet das englischsprachige Technikblog Ars Technica.

Quantum Computing unterscheidet sich grundlegend von dem althergebrachten binären System, auf das sich Rechner bislang stützen. Daher ist es sinnvoll, dedizierte Tools für diese neue Art von Computern zu entwickeln.

Ein Quantencomputer nutzt den Quantenzustand von Atomen oder Molekülen, wie Überlagerung und Verschränkung, um Datenoperationen durchzuführen. Auf seiner grundlegendsten Ebene verwendet ein normaler Rechner Bits, die entweder 0 oder 1 sind, um Berechnungen auszuführen. Ein Quantencomputer verwendet jedoch "Qubits", die mehrere Zustände gleichzeitig besitzen: Sie können also 0,1 oder 0 und 1 gleichzeitig. Damit erhalten Quantencomputer eine viel höhere theoretische Rechenleistung: Da mehrere Qubits mehrere Zustände gleichzeitig halten können, kann eine Berechnung mit einem viel höherem Maß an Parallelität angegangen werden als mit einem binären System, in dem nur immer ein Zustand nach dem anderen geschaltet werden kann.

Damit also ein moderner Anwender die Leistung eines Quantencomputers auch effektiv nutzen kann, ist eine speziell auf diese neuen Methodiken abgestimmte Programmiersprache notwendig. Traditionelle Computer haben eine Vielzahl von Sprachen, welche die Programmierung einer CPU wesentlich vereinfachen: Angesichts immer komplexerer Prozessoren wird es auch immer schwieriger, maschinennah zu programmieren und etwa die Logikgatter der CPU einzeln zu adressieren. Selbst das kann nicht zwingend direkt auf Quantencomputer angewendet werden, deren Prinzipien für Physiker wesentlich sinnvoller und zugänglicher erscheinen als für herkömmliche Softwareentwickler.

Microsofts noch unbenannte Programmiersprache zielt daher darauf ab, einen gewissen Grad an Abstraktion von den zugrundeliegenden Mechanismen von Quantencomputern anzubieten. Es leiht sich einige Elemente aus existierenden Sprachen wie Python und C#, um Programmierern die Bedienung des neuartigen Rechnerkonzepts etwas vertrauter zu machen. Ein gewisses Verständnis grundsätzliches Verständnis von Qubits wird zwar weiter unverzichtbar sein. Aber die Sprache soll es dem Programmierer erlauben, Qubits so zu adressieren, damit sie als Teil traditioneller Programmierkonstrukte wie Funktionen und Zweige arbeiten.

Ein Begriff, der in Zusammenhang mit Quantencomputern häufig fällt, ist die Quantenteleportation von Daten. Als Beispiel für seine neue Programmiersprache hat Microsoft ein Programm veröffentlicht, dass es möglich machen soll, einige Daten zwischen zwei verschränkten Qubits zu teleportieren (siehe Bild unten). Es nutzt einige spezielle, der Programmiersprache eigene Funktionen: EPR (Entwicklung verschränkter Qubits), Teleport und Teleporttest.

Wie bereits erwähnt soll es möglich sein, die neue Quantencomputing-Programmiersprache in Visual Studio zu integrieren. Das bringt die entsprechenden darin enthaltenen Komfortfunktionen mit sich, wie beispielsweise Color Coding (Farbliche Hervorhebung kontextueller Stellen im Programmcode) oder Code-Debugging.

Beispielcode aus Microsofts neuer Programmiersprache zur Teleportation von Daten zwischen zwei Qubits.
Beispielcode aus Microsofts neuer Programmiersprache zur Teleportation von Daten zwischen zwei Qubits. (Bild: Microsoft)

Das Forscherteam von Microsoft ist überzeugt, dass Entwickler mit diesen Tools Quantencomputersysteme einfacher testen und programmieren können. Um die Sprache auch ohne Zugang zu einem funktionierenden Quantenrechner üben zu können, hat das Unternehmen auch einen entsprechenden Simulator angekündigt. Dies wird auch nötig sein, denn von kommerziell allgemein verfügbaren Systemen ist die Technologie noch Jahre, wenn nicht Jahrzehnte entfernt.

Microsoft selbst besitzt keine eigene Quantencomputerplattform, auf der Softwareingenieure oder Entwickler arbeiten könnten. Das unternehmen hofft aber darauf, dass sich dieser Umstand bald ändert.

Wer an der neuen Programmiersprache interessiert ist, kann sich bei Microsofts Testprogramm anmelden. Registrierte Entwickler werden dann umgehend benachrichtigt, sobald Microsoft sein entsprechendes Toolkit zur Verfügung stellt. Die Simulation für den Quantenrechner besitzt allerdings hohe Anforderungen an den verfügbaren Arbeitsspeicher: Mindestens 32 GByte RAM werden nach Angaben von Microsoft notwendig sein.

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