Wie beginnen Sie mit dem Programmieren für Quantencomputer?

Anforderungen an das Lernen

Die Anforderungen an das Erlernen der Programmierung von Quantencomputern sind wesentlich höher als bei klassischen Computern: Bei klassischen Rechnern kann man buchstäblich im Vorschulalter beginnen, während hier fundierte Mathematikkenntnisse und zumindest die Grundlagen der Quantenphysik beherrscht werden müssen. Aus der Mathematik muss man mindestens Wahrscheinlichkeitsrechnung, komplexe Zahlen und lineare Algebra (Rechnen mit Vektoren und Matrizen) beherrschen; auch der mathematische Apparat der Quantenphysik ist von Nutzen. Eine Voraussetzung ist außerdem Englisch, da der Großteil der Dokumentation und Materialien auf Englisch veröffentlicht wird.

Empfohlene Bildungsressourcen

Mit Quantencomputern beschäftigt sich auch der Physiker Artur Ekert, der in Oxford tätig ist und dort Vorlesungen über Quantencomputer hält. Auf YouTube betreibt er den Kanal Artur Ekert, auf dem er sich Vorlesungen über die Prinzipien von Quantencomputern und -algorithmen widmet, und zwar vor allem auf theoretischer Ebene – er erklärt also die Prinzipien unabhängig von der physischen Implementierung von Quantencomputern.

Ekert sagt: „Information ist physikalisch, ihre Verarbeitung entspricht den Gesetzen der Physik – und somit ist jeder, der sich mit Informatik beschäftigt, eigentlich Physiker, auch wenn er das meist nicht gerne hört“. Besonders bei Quantencomputern muss die Physik stärker berücksichtigt werden, als es bei klassischen Computern üblich ist, weshalb Kenntnisse der Quantenphysik ein erheblicher Vorteil sind. Hier müssen die Grundlagen verstanden werden, da Quantenalgorithmen gezielt so entworfen werden, dass sie die Rechenvorteile nutzen, die die Quantenphysik bietet. Das Problem bei Quantenalgorithmen besteht darin, dass Quantenphänomene nicht intuitiv sind. Dabei legt die Quantenphysik Regeln fest, die den mathematischen Apparat bestimmen, aus dem anschließend Quantenalgorithmen aufgebaut werden.

Wenn Sie sich für einen allgemeineren Überblick und klare, einfache Erklärungen dazu interessieren, „worum es hier eigentlich geht“, stellt Anastasia Marchenkova eine hervorragende Quelle dar, die sich mit der Entwicklung von Quantenprozessoren beim Unternehmen Bleximo beschäftigt.

Quantensimulatoren

Da Quantencomputer nicht allgemein verfügbar sind, empfiehlt es sich, beim Lernen einen Quantensimulator zu verwenden – also ein Programm, das auf einem klassischen Computer das Verhalten eines Quantencomputers simuliert. Da Quantencomputer im Allgemeinen leistungsfähiger sind als klassische Computer, ist eine Simulation kein vollwertiger Ersatz für sie, für das Lernen und die Entwicklung von Quantenalgorithmen ist sie jedoch völlig ausreichend.

Viele Simulatoren und Kurse zu Quantencomputern sind kostenlos, da es sich nach wie vor um ein etwas randständiges Fachgebiet handelt, das sich erst noch durchsetzen will. Entwickler von Quantencomputern suchen nach neuen Talenten und Verbündeten. Dank dessen kann jeder Quantenprogrammiersprachen und Simulatoren ausprobieren, auch wenn sich die angebotenen Mittel und Dienste der einzelnen Unternehmen unterscheiden.

Werkzeuge für die Quantenprogrammierung

IBM Research bietet Zugang zur Sprache Qiskit, einem Open-Source-Paket aus Programmiersprache und Entwicklungswerkzeugen, das kostenlos auf GitHub verfügbar ist. Es basiert auf Python und ermöglicht einfache Experimente mit Quantensimulationen. Enthalten sind Installationsanleitungen sowie die Benchmark-Software Benchpress, die die Leistungsfähigkeit der Simulation misst. Lernkurse zu Qiskit sind auf Coursera (Practical Quantum Computing with IBM Qiskit for Beginners) und Udemy (Quantum Computing with Qiskit Ultimate Masterclass) zu finden.

Qiskit wird außerdem durch die auf Python basierende Sprache OpenQASM 3 (Open Quantum Assembly Language) ergänzt, die Quantenschaltkreise auf niedrigerer Ebene beschreibt und Low-Level-Operationen wie Kalibrierung und Kontrolle über das Timing von Operationen ermöglicht.

Google bietet seinen Quantensimulator Qsim an, der ebenfalls Open Source ist. Laut Google kann dieser Simulator bis zu 30 Qubits auf einem herkömmlichen PC und bis zu 40 Qubits mithilfe der Google Cloud simulieren. Er steht auf GitHub zum Download bereit; außerdem gibt es Tutorials, die sich jedoch direkt auf die Sprache beziehen und daher voraussetzen, dass Sie die grundlegenden Konzepte von Quantencomputern bereits kennen.

Microsoft Research bietet mit Q# (Q Sharp) eine eigene Sprache an, die als Teil des Microsoft Quantum Development Kit veröffentlicht wurde. Sie ist als Erweiterung der gängigen Sprachen C#, Python und F# für Visual Studio konzipiert. Ähnlich wie andere hier genannte Sprachen ist sie hauptsächlich für Lernzwecke gedacht und nicht für den Einsatz in realen Anwendungen vorgesehen. Die Dokumentation ist auf Azure Quantum verfügbar, Beispiele und Kurse finden sich auf GitHub im Bereich Quantum Katas.

Eine umfangreiche Liste weiterer Quantensimulatoren wurde beispielsweise vom Quantum Insider veröffentlicht.

Kurse für Anfänger

Die Unterstützung für das Erlernen der Quantenprogrammierung ist großzügig und breit aufgestellt, setzt jedoch in den meisten Fällen bereits voraus, dass Sie die klassische Programmierung beherrschen und mit gängigen Programmiersprachen sowie Entwicklungsumgebungen wie Python vertraut sind. Wenn Sie nach einem einfacheren Kurs suchen, bietet Brilliant in Zusammenarbeit mit Microsoft und Alphabet beispielsweise den Kurs Quantum Computing an. Die Voraussetzungen für den Kurs sind minimal: lediglich ein „grundlegendes Verständnis der linearen Algebra in Form von 2x2-Matrizen und optional Grundlagen der Informatik“.

Michal Rybka

Michal Rybka ist Publizist und Enthusiast mit 20 Jahren Erfahrung in den Bereichen IT und Gaming. Er ist Kurator des AlzaMuseums und des YouTube-Kanals AlzaTech. Er hat mehrere Fantasy- und Science-Fiction-Kurzgeschichten verfasst, die in Buchform erschienen sind, und berichtet regelmäßig freitags für das Online-Magazin PCTuning.