Shortcuts zur Adiabatizität für Quantencomputing und -simulation

• Antragsteller: Dr. Achim Marx, seit 11/2022
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491790188

Adiabatische Prozesse bilden die Grundlage einer Vielzahl von Experimenten. Sie haben zahlreiche Anwendungen in Quantensimulationen und Quantencomputing. Diese reichen von adiabatischen Pulssequenzen für Quantengatter auf supraleitenden Plattformen bis zur Erzeugung von Vielteilchenzuständen in kalten Atomen, um nur ein paar zu nennen. Während das adiabatische Theorem im Prinzip verschiedenste Anwendungen ermöglicht, ist es auch Quelle grundsätzlicher Begrenzungen, sowohl in bzgl. der erforderlichen Zeitskalen als auch durch die Beschränkung auf grund- oder eigenzustandserhaltende Operationen. Dieses Grundlagenforschungsprojekt untersucht ein neuartiges Konzept als Keimzelle zukünftiger technologischer Umsetzungen von adiabatischer Quantensimulation und -computing. Insbesondere wird ein umfangreicher Satz nichtadiabatischer Bausteine entwickelt, die die adiabatische Zustandserzeugung durch nichtadiabatische Prozesse mit Shortcuts zur Adiabatiziät (STA) ersetzt. Dieser völlig neue Ansatz erlaubt Abweichungen vom derzeit praktische Anwendungen verhindernden adiabatischen Limit, indem zusätzliche unitäre Quantenoperationen zum System hinzugefügt werden. Zu diesem vielversprechenden Ansatz existieren bisher nur erste Theoriearbeiten und einfachste Experimente. In Zusammenarbeit führender europäischer Theorie- und Experimentalgruppen werden vier Projektziele verfolgt: (i) Erstes Zweikörper-STA-Experiment mit einer skalierbaren Architektur; (ii) Erstes STA-Experiment an einem nicht skaleninvarianten System; (iii) Neuartiger Theorierahmen für STA statisischer Ensembles; (iv) Neuartiger Tensornetzwerkrahmen für STA. Das hier vorgeschlagene Teilprojekt nutzt die langjährige Erfahrung am WMI zu Design, Fabrikation und Messung supraleitender Quantenschaltkreise, um Aspekt (i) umzusetzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Italien, Luxemburg, Österreich, Polen
• Mitverantwortliche: Dr. Kirill Fedorov; Professor Dr. Rudolf Gross
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Aurélia Chenu; Professor Dr. Jacek Dziarmaga; Giacomo Lamporesi; Wolfgang Lechner; Procolo Lucignano
• Ehemaliger Antragsteller: Privatdozent Dr. Frank Deppe, bis 11/2022