Kompilierungsumgebung und Benchmarking für Ionenfallen-basierte Quantencomputer

• Antragsteller: Professor Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler; Professor Dr.-Ing. Robert Wille
• Fachliche Zuordnung: Softwaretechnik und Programmiersprachen ; Hardwaresysteme und -architekturen für die Informationstechnik und die Künstliche Intelligenz, Quantentechnische Systeme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563436708

Quantenprozessoren basierend auf gefangenen Ionen stellen eine vielversprechende Technologieplattform dar, denn sie verfügen über ausgezeichnete Kohärenzzeiten, hohe Gatter Qualitäten, erlauben einen skalierbaren Ansatz durch die Bewegung der Ionen-Qubits und es konnten bereits eine hohe Zahl von verschränkten Qubits demonstriert werden. Zur Zeit fehlt aber noch die angepasste Software, um das volle Potential dieser Hardware auszuschöpfen. Daran arbeiten wir in diesem Projekt in einer interdisziplinären Kollaboration zwischen der Physik an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Informatik an der technischen Univ. München (TUM). Wir zielen auf ein umfassendes Software-Ökosystem, welches maßgeschneidert ist für aktuellste Hardware der Ionen-Quantenprozessoren. Wir konzentrieren uns in unserem integrierten Forschungsplan die wichtigen Herausforderungen in vier Schritten: (1) Die Identifizierung und Charakterisierung elementare Hardware-Operationen mit speziellem Augenmerk auf qubit Register Rekonfigurationen für gefangene Ionen. (2) Eine vollständige und systematische Bestimmung der daraus hervorgehenden Hardwarefähigkeiten, bzw. auch der daraus hervorgehenden Einschränkungen. Abstrakte Modellierung der Hardware für erweiterbare und wiederverwendbare Softwareschnittstellen. (3) Die Entwicklung optimaler und effizienter Kompilierungsmethoden welche als Open-Source-Software für die wissenschaftliche Gemeinschaft bereitgestellt wird. (4) Der Einsatz anwendungsorientierter und automatisierter Benchmarking-Verfahren zur kontinuierlichen Bewertung, zum Co-Design zugrunde liegender Hard- und Softwarekomponenten und zur Qualitätskontrolle. Wir werden grundlegende Software-Bausteine bereitzustellen und als Open-Source öffentlich zugänglich machen als Fundament für eine weitere gemeinschaftsgetriebene Softwareentwicklung. Unser kollaborativer Ansatz vereint experimentelle/theoretische Physik und Informatik und bündelt damit das Fachwissen beider Bereiche, um theoretische Erkenntnisse und praktische Werkzeuge zu generieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2514: Quantum Software, Algorithmen und Systeme - Konzepte, Methoden und Werkzeuge für den Quanten-Softwarestack
• Mitverantwortlich(e): Dr. Janine Hilder