Wissenschaft Forscherteam entwickelt praktisch anwendbare Quantencomputer

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Heinrich Heine Universität Düsseldorf

Ein Team von Wissenschaftlern der Heinrich-Heine-Universität plant, durch das Zusammenschalten mehrerer quantentechnologischer Grundeinheiten erstmals einen für die Praxis tauglichen Quantencomputer zu entwickeln.

Juniorprofessor Martin Kliesch hat mit seiner Arbeitsgruppe „Quantentechnologie“ der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) kürzlich drei neue Projekte zum Thema Quantencomputer gestartet. Laut einer Pressemitteilung der Universität geht es im jüngsten Projekt „Miqro“ um die praktische Realisierung skalierbarer Quantencomputer.

Warum Quantencomputer?

Quantencomputer basieren auf einer grundlegend anderen Informationsverarbeitung als herkömmliche Computer. Während ein klassischer Computer mit Bits rechnet, die die beiden Zustände 0 und 1 annehmen können, arbeitet ein Quantencomputer mit sogenannten Qubits: Sie können Überlagerungen aus den Zuständen 0 und 1 annehmen, ähnlich wie sich Wellen überlagern können. So erlauben auf Qubits basierende Rechnungen die gleichzeitige Verfolgung verschiedener Rechenwege: Man spricht auch von „Quantenparallelität“.

Ein solcher Computer könnte Probleme lösen, die mit traditionellen Computern unlösbar sind. Dazu gehören das Knacken von Verschlüsselungscodes, Simulationen von Quantensystemen – wie sie in der Quantenchemie und Materialwissenschaft vorkommen – und potenziell sogar Optimierungsaufgaben etwa aus der Logistik oder Finanzwirtschaft.

Aktuelle Quantencomputer basieren auf 30 bis 100 Qubits, die „verrauscht“ sind. Das bedeutet, dass ihre Zustände Abweichungen von den gewünschten Zuständen aufweisen. Das macht die fehlerfreie Ausführung bereits kleiner Quantenrechnungen nur schwer möglich. Eine umso größere Herausforderung für Forschung und Entwicklung ist die Skalierung hin zu höheren Qubit-Zahlen bei gleichzeitig hoher Qualität der Qubits.

Für die Praxis taugliche Dimensionen

Im Verbundforschungsprojekt „Miqro“ soll die Grundlage eines neuen Typs von Quantencomputern entwickelt werden, dessen Vergrößerung bis hin zu praktischen Anwendungen besonders vielversprechend erscheint.

Die Grundeinheit des Geräts wird aus 32 Qubits bestehen, die mittels gefangener Ionen realisiert und mithilfe von Hochfrequenzfeldern gesteuert werden. Das Forscherteam hofft, dass diese Grundeinheiten zu größeren Einheiten zusammengeschaltet werden können, so dass letztlich für die Praxis taugliche Dimensionen entstehen.

Das Team von Dr. Martin Kliesch vom Institut für Theoretische Physik übernimmt in diesem Projekt den theoretischen Teil. Es geht darum, einen Quantencomputer und seine Komponenten zu charakterisieren. Dies soll laut Kliesch die Grundlage für eine automatisierte Fehlerreduktion bilden. Dafür werden neue mathematische Verfahren entwickelt. Das Projekt wird seit dem 1. Mai 2021 vom Bundesforschungsministerium mit 15,8 Millionen Euro gefördert.

Wie verlässlich sind Quantencomputer?

Unter dem Titel „Verifizierung und Charakterisierung von Quantentechnologie“ erarbeitet Martin Klieschs Team im Emmy-Noether-Projekt neue Konzepte und mathematische Methoden für die Charakterisierung von Quantencomputern. Während sich das Miqro-Projekt vorwiegend mit praktischen Aspekten hinsichtlich der konkreten Implementierung beschäftigt, liegt der Fokus des Emmy-Noether-Projekts auf grundsätzlichen Fragen.

Unter anderem möchte das Team erforschen, inwieweit die Verlässlichkeit eines Quantencomputers im Hinblick auf Anwendungen grundsätzlich bestimmt werden kann. Außerdem soll erforscht werden, wie die Richtigkeit von Quantencomputerlösungen getestet werden kann - auch im Fall von Problemen, die praktisch unlösbar sind. Das Projekt wird seit April 2021 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Zusammenarbeit zwischen PC und Quantencomputer

Im März 2021 startete eines weiteres Verbundprojekt „Maniqu“, das von der Firma Bosch geleitet wird. Das Ziel dieses Projekts ist, Quantencomputer für Rechenprobleme aus der Quantenchemie und Materialforschung nutzbar zu machen. Der Fokus liegt hier auf hybriden Quantenalgorithmen, bei denen Quanten- und konventionelle Computer zusammenarbeiten, um schwierige Optimierungsprobleme zu lösen.

In diesem Zusammenhang entwickelt Klieschs Team neue Methoden, um die Zusammenarbeit der zwei unterschiedlichen Computer effizient zu gestalten. Für hybrides Quantenrechnen ist ein sehr häufiges Auslesen des Quantencomputers notwendig, was bisher einen Flaschenhals dieses Ansatzes darstellt und hier mittels effizienter Messverfahren gezielt angegangen wird.

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