Tensornetzwerke in Simulationen von Quantenmaterie

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Mari Carmen Bañuls; Privatdozent Dr. Karl Jansen
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499031220

In der momentanen Ära der Quantenwissenschaft, in der es noch keine fehlertoleranten Quantenbauelemente gibt, aber Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)-Bauelemente zugänglich sind, spielen Quanteninformationswerkzeuge zur Steuerung ihrer Entwicklung eine grundlegende Rolle. Mit der absehbaren zunehmenden Komplexität der verfügbaren NISQ-Bauelemente werden ihre klassischen Simulationen, die bisher ihre Entwicklung vorangetrieben haben, bald nicht mehr Schritt halten können. Es besteht daher ein dringender Bedarf an immer leistungsfähigeren Diagnosewerkzeugen, die auch auf Quantengeräte im Quantenvorteilsbereich angewendet werden können. Wir planen die systematische Entwicklung quanteninspirierter Algorithmen zum Benchmarking, zur Zertifizierung und Validierung von Quantengeräten. Im Mittelpunkt der quanteninspirierten Algorithmen stehen Tensornetzwerke (TN), eines der leistungsfähigsten Paradigmen zur Simulation von Quanten-Vielteilchen-Gittersystemen, sowohl im als auch außerhalb des Gleichgewichts, durch eine Darstellung des Quantenzustands mit maßgeschneiderten Variationsansatz-Wellenfunktionen. In den letzten Jahren wurden beeindruckende Fortschritte bei den TN-Algorithmen erzielt, und in T-NiSQ planen wir, diese Entwicklungen einen Schritt weiter zu bringen, über die Ebene der akademischen Demonstration hinaus, hin zu wirklich anwendbaren Werkzeugen für die Modellierung und den Entwurf von Quantengeräten. Insbesondere werden wir Benchmarking-Tools für hochdimensionale Quantensysteme in Anwesenheit von Rauschen entwickeln und unsere Algorithmen in modernsten Quantensimulationen und -berechnungen testen. Die Ergebnisse von T-NiSQ werden ein wesentliches Instrument sein, um unser Verständnis von dynamischen und stark korrelierenden Effekten in Quantenmaterie auch über die NISQ-Ära hinaus zu verbessern. Unser Ansatz ist nur möglich dank der Zusammenarbeit von Theorie und Experiment und eines interdisziplinären Ansatzes, der das kombinierte Fachwissen von Forschern aus den Bereichen der atomaren, molekularen und optischen (AMO) Quantentechnologien (QTs) und der Hochenergiephysik nutzt. Zur Förderung der langjährigen Rolle Europas bei der Entwicklung von AMO-QTs bringt T-NiSQ verschiedene Schlüsselakteure zusammen, die die künftige Entwicklung von zwei der führenden europäischen QTs beeinflussen werden: gefangene Ionen und ultrakalte Atome. Kalte atomare Gase in optischen Gittern bieten beispiellose Möglichkeiten für die Manipulation und Charakterisierung von Quantenphasen der Materie, und eingefangene Ionen sind die führende Plattform für die digitale Quanteninformationsverarbeitung. Die Ergebnisse von T-NiSQ werden Anwendungen finden, die von der Physik der kondensierten Materie über die Hochenergiephysik bis zur Quanteninformationstheorie reichen. Quantensimulatoren werden ebenso von T-NiSQ Resultaten profitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Italien, Österreich, Slowenien, Spanien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Zala Lenarcic; Professor Dr. Simone Montangero; Professor Dr. Enrique Rico Ortega; Professor Dr. Martin Ringbauer
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Immanuel Bloch; Professor Dr. Juan Ignacio Cirac