Brückenschlag zwischen endlich dimensionalen und unendlich dimensionalen Quantumssysteme - Simulationen und Rechenleistung

• Antragsteller: Dr. Alessandro Ciani; Professor Sevag Gharibian, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Informatik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563388236

Quantencomputer versprechen die Rechenkapazitäten herkömmlicher Computer signifikant durch die Nutzung von Quanteneffekten wie Verschränkung und Kohärenz zu erweitern. Obwohl Quantenvorteile (d.h. eine Verbesserung gegenüber den besten klassischen Verfahren) für einige Szenarien theoretisch gezeigt wurde, ist der genaue Ursprung dieses Vorteils noch nicht hinreichend ergründet. Durch die Fortschritte im Bau von Quantencomputerhardware in den letzten Jahren, wird zunehmend in diese Technologie investiert. Voraussetzung für eine solche Investition, sollte jedoch ein tiefes theoretisches Verständnis dafür sein, warum ein Quantencomputer für bestimmte Aufgaben besser geeignet sein sollte, zumindest in einer idealen, rauschfreien Umgebung. Insbesondere im Hinblick auf die Bewertung verschiedener Hardwareplattformen ist eine genaue Einschätzung der möglichen Rechenleistung dieser Plattformen wichtig. Darüber hinaus sind die derzeit verfügbaren Geräte nicht in der Lage, die Rechenleistung von Quantensystemen in vollem Umfang auszunutzen, da sie durch Rauschen (Fehler) beeinträchtigt werden, die die Berechnung in einer viel grundlegenderen Weise beeinflussen als bei Standardcomputern. Es ist umstritten wie stark das Rauschen einen möglichen Quantenvorteil beeinflusst. Die Quantenfehlerkorrektur verspricht, diese Probleme zu lösen, ist aber mit einem beträchtlichen Mehraufwand verbunden. In den letzten Jahren wurden Quantenfehlerkorrekturtechniken entwickelt, die jedoch letztlich nicht skalierbar sind. Daher ist es absehbar, dass für die Entwicklung von vollständig fehlerkorrigierten Quantencomputern, die Quantenfehlerkorrektur durch Methoden zur Fehlerunterdrückung und Fehlervermeidung zu ergänzen. Um sowohl die theoretischen Grundlagen für Quantenvorteil besser zu verstehen und diesen durch Maßnahmen zur Fehlerunterdrückung zu ermöglichen, untersuchen wir in diesem Projekt die Rechenleistung von Quantensystemen Systemen aus zwei komplementären und symbiotischen Perspektiven. Einerseits untersuchen wir untere Schranken für die Rechenleistung von diskreten und kontinuierlichen (und hybriden) Systemen indem wir Verbindungen zwischen der klassischen Simulierbarkeit von endlich dimensionalen (d.h. Qubit) und kontinuierlichen variablen Quantensystemen erforschen. Andererseits zielen wir darauf ab, die Leistung von photonischen Quantenberechnungen mit Polynomialzeit nach oben zu begrenzen und allgemeiner zu charakterisieren, um das bestehende Wissen über Quantenberechnungen mit Polynomialzeit auf Qubits zu ergänzen. Darüber hinaus wird untersucht, wie wir mit Hilfe von Methoden der Quantenfehlerkorrektur und Fehlervermeidung die Rechenkapazität von Quantencomptern graduell steigern können, sowohl für diskrete als auch kontinuierliche Systeme.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2514: Quantum Software, Algorithmen und Systeme - Konzepte, Methoden und Werkzeuge für den Quanten-Softwarestack
• Mitverantwortliche: Dr. Tobias Stollenwerk; Professor Dr. Frank K. Wilhelm-Mauch