Das Potenzial von analogen Quantensimulatoren: Neue Werkzeuge für ihre Zertifizierung und Untersuchung ihrer Rechenleistung

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Eisert
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 264769515

Quantensimulatoren versprechen einen Grad an tiefer Einsicht in die Physik des Ultrakleinen, der mit Hilfe von numerischen Simulationen auf klassischen Rechnern unerreichbar erscheint. Besonders vielversprechend aus einer physikalischen Sicht sind sogenannte analoge Quantensimulatoren, die es erlauben, komplexe Quantendynamik unter sehr präzisen Bedingungen im Labor nachzustellen. In der Tat hat sich das Forschungsfeld der analogen Quantensimulation in den letzten Jahren rapide entwickelt. Allerdings sind wichtige konzeptuelle Fragen völlig ungeklärt; wenn das ultimative Versprechen der Quantensimulation eingelöst werden soll, so müssen zufriedenstellende Antworten auf diese Fragen gefunden werden.Dieses Forschungsvorhaben adressiert diese konzeptuellen Fragen. Quantensimulatoren werden weithin als mächtiger als klassische Simulatoren angenommen, aber zugleich stellt dies eine Herausforderung dar hinsichtlich der Möglichkeit um herauszufinden, ob eine Simulation auch die korrekten Ergebnisse liefert. Wie lässt sich also möglichst effizient und praktikabel das Funktionieren von Quantensimulatoren zertifizieren? Ebenso wichtig, für welche Aufgaben kann man überhaupt erwarten, dass ein Quantensimulator mächtiger als ein klassischer Rechner ist?Dieses Proposal schlägt ein umfangreiches Programm vor, diese wichtigen Punkte anzugehen. Insbesondere werden neue Werkzeuge zum Zertifizieren eingeführt, die auf sogenannten "interactive proof systems" basieren und stochastische Methoden verwenden. Aus einer Vielzahl von Perspektiven wird die Frage der Überlegenheit eines Quantensimulators über klassische Rechner beleuchtet: Diese Überlegungen reichen von dem Studium von Nichtgleichgewichtsdynamik von Vielteilchensystemen über neue Ideen über "quantum sampling problems" bis hin zu Vorschlägen zu neuen Komplexitätsklassen von Analogsimulation in der Gegenwart von realistischen Fehlern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen