Viel-Qubit Operationen zur effizienten Erzeugung von verschränkten Quantenzuständen mit supraleitenden Qubit-Systemen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Filipp
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445948657

Ziel dieses Forschungsprojekts ist es das Potenzial von Viel-Qubit Operationen für Quantencomputing zu untersuchen. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Beschleunigung von Quantenalgorithmen mit supraleitenden Quantenschaltkreisen. Wir verwenden den sogenannte Variational Quantum Eigensolver (VQE) Algorithmus, der den Grundzustand einer gegebenen Hamilton-Funktion, beispielsweise der eines Moleküls, eruiert. Der Quantenzustand des Systems wird dabei durch die Variation von Parametern einer Operationssequenz auf den Qubits zum Zielzustand gesteuert, so dass eine Zielfunktion auf einem klassischen Computer minimiert wird. Der Vorteil einer derartigen hybriden quanten-klassischen Berechnung besteht darin, dass hochdimensionale Viel-Qubit-Zustände effizient auf dem Quantensystem gespeichert werden können, was in einem klassischen Speicher aufgrund der exponentiell großen Anzahl von Zustandskoeffizienten nicht möglich ist. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass der Algorithmus zum Zielzustand konvergiert, bevor Dekohärenz einsetzt und alle Quanteneigenschaften verloren gehen. Die Operationssequenz muss daher kurz sein. Das Hauptziel dieses Projekts ist es daher durch die Entwicklung von Viel-Qubit-Operationen, die auf mehrere Qubits gleichzeitig angewendet werden können, die effiziente Erzeugung von korrelierten Quantenzuständen zu ermöglichen. Dies führt zu effizienten Algorithmen mit kurzer Tiefe – natürlich vorausgesetzt, dass die Güte der Viel-Qubit-Operationen hochgehalten werden kann. Wir verwenden Transmon-Qubits mit fester Frequenz sowie Zwei-Qubit-Operationen basierend auf parametrisch getriebenen Kopplern. Wir untersuchen die Frage, ob Viel-Qubit-Operationen nicht nur theoretisch, sondern auch in der experimentellen Praxis einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Zwei-Qubit-Gattern bieten können. Insbesondere ist experimentell noch unklar, welche Operationsgüten tatsächlich erreicht werden können und wie sich diese mit einer Zerlegung von Viel-Qubit in Zwei-Qubit Operationen vergleichen. Wir werden N-Weg-Koppler bauen, die entweder kapazitiv und galvanisch mit N Qubits gekoppelt sind, und experimentell die maximal mögliche Anzahl von gekoppelten Qubits untersuchen. Wir werden verschiedene Methoden vergleichen, beispielsweise solche basierend auf resonanten oder dispersiven Wechselwirkungen, um verschiedene Klassen verschränkter Zustände zu generieren. Das Ziel ist letztlich die Durchführung eines Experiments mit vier Qubits zu einer Problemstellung aus der Quantenchemie, z. B. der Bestimmung des Grundzustands und des Energiespektrums von molekularem Wasserstoff (H2), um daran die Effizienz von Viel-Qubit-Operationen bewerten zu können. Durch die Verwendung von den hier an ein paar Qubits getesteten Viel-Qubit Operationen in größeren skalierbaren Quantensystemen könnten praktische Anwendung in greifbarere Nähe rücken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen