Nicht-kommutative polynomielle Optimierung für Quantennetzwerke

• Antragstellerin: Professorin Dr. Mariami Gachechiladze
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Informatik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532773714

Das Quanteninternet wird unsere Art und Weise, Information zu verarbeiten, kommunizieren oder komplexe Probleme zu berechnen, radikal verändern. Im vergangenen Jahrzehnt wurden erste Quantennetzwerke bis mittlerer Größe entwickelt, als Vorläufer des ambitionierten, langfristigen Ziels eines Quanteninternets. Diese bereits existierenden Quantennetzwerke eröffnen viele neue Möglichkeiten der Quanteninformationsverarbeitung. Neue Protokolle zeigen, dass solche Netzwerke eine enorme Vielfalt an Anwendungen bereithalten, von Zertifizierungsaufgaben mithilfe der Quanten-Nichtlokalität bis hin zu kryptographischen Anwendungen und fehlertoleranten Quantencomputern. Allerdings werden diese Möglichkeiten bis heute nicht weiterverfolgt: in den meisten aktuellen Experimenten werden Quantennetzwerke lediglich verwendet, um einzelne Quantenzustände zu simulieren, z.B. in dem üblichen zweigeteilten („Alice and Bob“) Szenario. Echte Quantennetzwerkprotokolle in diesem Sinne sind bisher nicht experimentell realisierbar, bedingt durch unrealistische theoretische Annahmen, wie z.B. in Bezug auf externe störende Einflüsse. Mithilfe vom COMPUTE werden wir die weitere Entwicklung von Quantennetzwerken vorantreiben, indem wir (1) die Rahmenbedingungen für weitere theoretische Forschung sowie die Entwicklung von realen Quantennetzwerken bieten, (2) die Implementierung von Protokollen auf solchen Netzwerken und (3) die Grundlagen für Quantennetzwerkarchitekturen zu entwickeln, um Quantencomputing in verteilten Systemen zu ermöglichen, und damit einzelnen fehlerbehafteten Quantenrechnern überlegen sind. Aus einer methodischen Perspektive wird COMPUTE diese Ziele durch eine enorme Verbesserung von bereits existierenden Algorithmen zu nicht-kommutativer polynomieller Optimierung erreichen. Diese sind von zentraler Bedeutung in zahlreichen Problemen der Quanteninformationstheorie. COMPUTE wird (4) die bestehenden Grenzen zwischen Forschungsgruppen in den Feldern der polynomiellen Optimierung bzw. der Quanteninformation überwinden, indem es die Werkzeuge und Methoden ersterer den letzteren zugänglich macht und andersherum ersteren die Herausforderungen letzterer.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Slowenien, Spanien
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortlich: Professor Dr. David Gross, Ph.D.
• Kooperationspartner: Professor Dr. Antonio Acin, Ph.D.; Professor Dr. Igor Klep; Professor Dr. Victor Magron; Professor Dr. Marc-Olivier Renou