Praktisches messbasiertes Quantencomputing

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Stefanie Barz; Anna Pappa, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Hardwaresysteme und -architekturen für die Informationstechnik und die Künstliche Intelligenz, Quantentechnische Systeme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Informatik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563437379

Das von Stefanie Barz (Universität Stuttgart) und Anna Pappa (TU Berlin) geleitete Forschungsprojekt erforscht die Machbarkeit und Praktikabilität von messbasiertem Quantencomputing (MBQC), einem Paradigma, das sich vom traditionellen schaltkreisbasierten Quantencomputing-Modell unterscheidet. MBQC nutzt adaptive Ein-Qubit-Messungen an hochverschränkten Ressourcenzuständen zur Durchführung von Quantenrechnungen und bietet damit potenzielle Vorteile wie reduzierte Gatterfehler und verbesserte Parallelisierung. Das Projekt zielt darauf ab, die praktischen Beschränkungen von MBQC anzugehen und gleichzeitig seine Stärken für verschiedene Anwendungen zu identifizieren. Das Projekt ist interdisziplinär zwischen Informatik und Physik angelegt und adressiert mehrere Forschungsbereiche des SPP 2514: Es befasst sich mit Herausforderungen in den Bereichen Quantum Algorithmic Foundations und Roots in Quantum Physics (1), hat einen direkten Bezug zu Co-Design und Engineering (4) und befasst sich schließlich auch mit Verifikation und Validierung (5). Zu den Hauptzielen gehört das Benchmarking aktueller Quanten-Hardware-Plattformen wie photonische Systeme, supraleitende Qubits und gefangene Ionen, um ihre Eignung für MBQC zu ermitteln. Es wird ein maßgeschneidertes Benchmarking-Rahmenwerk entwickelt, um die für MBQC spezifischen Leistungskennzahlen zu messen. Darüber hinaus werden im Rahmen des Projekts Algorithmen optimiert, wobei der Schwerpunkt auf effizienten Kompilierungsmethoden und der Untersuchung von Anwendungsfällen wie der sicheren delegierten Quantenberechnung und subuniversellen Modellen wie der "Instantaneous Quantum Polytime" (IQP) liegt. Die praktische Umsetzung ist ein wichtiger Aspekt des Projekts. Geplant sind Experimente mit photonischen Quantenprozessoren, um reale Herausforderungen wie die Qualität der Photonenquelle und Unzulänglichkeiten der Schaltkreise zu bewerten. Diese Experimente zielen darauf ab, theoretische MBQC-Modelle mit Hardware-Einschränkungen zu verknüpfen, Fehlermitigation zu verbessern, sowie Strategien zur Ressourcenzuweisung zu verbessern. Ein weiterer Schwerpunkt ist die sicheres Quantencomputing und insbesondere die Ausnutzung der besonderen Struktur von MBQC für blindes und delegiertes Quantencomputing. Das Projekt vereint Fachwissen über photonische Quantensysteme und Implementierung von Algorithmen (Barz), sowie theoretische Algorithmenentwicklung (Pappa). Das Projekt gewährleistet so die Integration aktueller Software-Herausforderungen mit aktueller Hardware. Das Ziel ist es, einen wesentlichen Beitrag zum Quantencomputing zu leisten, indem es MBQC-spezifische Werkzeuge und algorithmische Rahmenwerke in enger Abstimmung mit experimentellen Implementierungen weiterentwickelt werden. Das auf 36 Monate angelegte Projekt soll MBQC als praktisches und wettbewerbsfähiges Modell etablieren und Erkenntnisse über seine Skalierbarkeit und Robustheit für zukünftige Quantentechnologien liefern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2514: Quantum Software, Algorithmen und Systeme - Konzepte, Methoden und Werkzeuge für den Quanten-Softwarestack