QUBYSM - QUantencomputergestützte drahtlose Beyond-6G-systeme durch hYperdimensionale Spärliche Modulation

• Antragsteller: Professor Giuseppe Thadeu Freitags de Abreu, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576171458

Trotz der starken Überlastung des Spektrums und dem zunehmenden Problem des übermäßigen Energieverbrauchs, ist die steigende Nutzung von Ressourcen eine anhaltende Herausforderung bei der Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme. Seit Jahrzehnten besteht ein zuverlässiger Weg zur Verbesserung der Effizienz drahtloser Systeme darin, immer ausgefeiltere Algorithmen einzusetzen, was wiederum die Anforderungen an die Rechenleistung erhöht. Obwohl dieser Ansatz bisher durch das Mooresche Gesetz – das empirisch prognostiziert, dass sich die Transistordichte alle zwei Jahre verdoppelt – ermöglicht wurde, ist es mittlerweile anerkannt, dass das Wachstum der klassischen Rechenkapazität aufgrund der grundlegenden physikalischen Einschränkungen herkömmlicher Transistoren bald abflachen wird. Einige prognostizieren sogar das Ende des Mooreschen Gesetzes bereits im Jahr 2030. Das Dilemma ist also klar: Mit jeder Generation haben wir steigende Anforderungen, aber proportional weniger Ressourcen und Rechenkapazitäten! Es ist daher an der Zeit, nicht-klassische Ansätze zu erforschen, um sowohl Ressourcen- als auch Recheneffizienz zu erzielen, ohne die der Fortschritt bei der weiteren Entwicklung drahtloser Systeme ernsthaft gefährdet wäre. Glücklicherweise scheinen Lösungen für dieses Problem in Reichweite zu sein. Einerseits ermöglichen ressourceneffiziente Techniken wie die spärliche Modulation – z.B. die Indexmodulation (IM) als prominentes Beispiel – die Kommunikation nicht durch die Nutzung aller Ressourcen, sondern durch die Wahl von P aus N möglichen Ressourcen, die tatsächlich aktiviert werden. Andererseits entwickelt sich das Quantencomputing (QC) schnell weiter, sodass bereits handelsübliche Quantencomputer für Raumtemperatur verfügbar sind (siehe quantumcomputinginc.com). Herkömmliche IM-Algorithmen werden normalerweise unter der Annahme entwickelt, dass P und N konstant sind und für eine einzige Art von Ressource gelten, zum Beispiel: IM über Frequenzen oder über Sendeantennen. Um jedoch signifikante Ersparnisse zu erzielen, muss man mit einer verallgemeinerten Variante der Idee arbeiten, die hier als hyperdimensionale spärliche Modulation (HDSM) bezeichnet wird, bei der die Ressourcen verschiedene Dimensionen (Zeit, Frequenz, IQ-Komponenten, Antennen, Wellenformen usw.) genutzt werden und bei der P und möglicherweise N nicht konstant sind. In früheren Arbeiten haben wir gezeigt, dass das HSDM-Konzept die besten Ergebnisse für P << N liefert, was die Ressourceneffizienz des Konzepts beweist. Die dort einfließenden Verallgemeinerungen führen jedoch zu hochkomplexen Codebuch- und Empfängerdesigns, die, wie einige unserer früheren Arbeiten gezeigt haben, nicht mit klassischen Computern verarbeitet werden können. Aus diesem Grund wird das Projekt QUBYSM über herkömmliche Ansätze hinausgehen und quantenbeschleunigte Mechanismen untersuchen, um Empfänger und Sender (d. h. Codebücher) mit Maximum-Likelihood-Annäherung für HDSM-Schemata zu entwerfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen