Physikalisch eingeschränktes Quantenrechnen

• Antragsteller: Dr. Dominik Hangleiter
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Informatik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563402105

Mit Operationen, die in der Quantenmechanik erlaubt sind, ist es prinzipiell möglich, Computer zu bauen, die Aufgaben lösen können, die für klassische Computer unlösbar sind. Physikalische Beschränkungen – wie etwa das Fehlen von Interferenzen – der Rechenressourcen können jedoch einschränken, welche Berechnungen tatsächlich durchgeführt werden können. Bei Quantencomputern sind die Auswirkungen solcher Einschränkungen auf die Rechenleistung bislang noch nicht vollständig erforscht. Zudem ist noch unklar, welche Eigenschaften von Quantenberechnungen diesen Vorteil gegenüber klassischen Berechnungen ermöglichen. Ich werde diese wichtigen Herausforderungen angehen, indem ich Quantenberechnungen unter physikalischen Einschränkungen untersuche. Dazu werde ich neue Konzepte entwickeln und anwenden, um physikalische Begrenzungen von Computern aus den Perspektiven der theoretischen Informatik und der Physik zu beleuchten. Erstens werde ich, inspiriert von frühen fehlertoleranten Computern mit atomaren Qubits, untersuchen, wie (rauschbehaftete) Berechnungen in Quantencodes über den Surface-Code hinaus durchgeführt werden können, ob es natürliche Implementierungen algorithmischer Bausteine in speziellen Codes gibt und wie man neue Methoden zur Quantifizierung und Messung von Rauschen in kodierten Berechnungen entwickeln kann. Zweitens werde ich, inspiriert von Quantenannealing-Geräten, Quantenberechnungen ohne Interferenz oder Vorzeichenproblem untersuchen, was nicht nur für Annealing-Geräte relevant ist, sondern auch für das Verständnis, ob Interferenzen für den quantenmechanischen Vorteil notwendig sind. Hier werde ich ein grundlegendes Verständnis der Berechnungen entwickeln, die mit Vorzeichenproblem-freien Hamiltonians möglich sind, eine Theorie darüber, wie das Vorzeichenproblem mit anderen physikalischen Ressourcen zusammenhängt, und untersuchen, inwieweit die Leistung von Quantenalgorithmen auf ein Vorzeichenproblem zurückgeführt werden kann. Meine Forschung wird somit nicht nur ein neues, integriertes Verständnis von Quantenbeschleunigungen schaffen, sondern hat auch das Potential, wegweisende neue algorithmische Bausteine zu identifizieren, die neue Anwendungen für das Quantencomputing ermöglichen könnten.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Gruppen