Interdisziplinäre Nachwuchsforschungsgruppe zum Quantencomputing
Emmy-Noether-Gruppe zur Systemtheorie von Quantenalgorithmen an der Uni Stuttgart – neuer Ansatz für weniger fehleranfällige Quantenrechner.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) vergibt eine Förderung in Höhe von 1,16 Millionen Euro für den Aufbau einer neuen Emmy Noether-Nachwuchsgruppe. Julian Berberich von der Universität Stuttgart forscht an Methoden, um Quantenalgorithmen robuster zu machen. Dadurch wären Quantencomputer widerstandsfähiger gegenüber störenden Umgebungseinflüssen.
„Quantencomputer können bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als klassische Computer, zum Beispiel die Simulation komplexer Quantensysteme für mögliche Anwendungen in der Materialforschung, Chemie oder Arzneimittelentwicklung“, sagt der Forscher vom Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik (IST). „Doch trotz enormer Fortschritte bei der Quantenhardware bleibt es herausfordernd, dieses Potenzial auszunutzen.“ Denn die hochempfindliche Quantenhardware lässt sich nicht vollständig vor störenden Umgebungseinflüssen schützen. In der Folge können die mit Quantencomputern berechneten Ergebnisse fehlerhaft sein.
„Bisherige Ansätze trennen oft die Fehlerbehandlung von der Analyse und dem Entwurf der Quantenalgorithmen, zum Beispiel durch eine nachträgliche Fehlerkorrektur“, sagt Berberich. „Aber so bleibt das Potenzial für robustere Algorithmen ungenutzt.“ Das will der Ingenieur mit einem regelungstechnischen Ansatz ändern. „Wir entwickeln in der neuen Arbeitsgruppe Methoden, um die Robustheit und Stabilität von Quantenalgorithmen systematisch zu analysieren. Darauf aufbauend wollen wir Algorithmen entwerfen, die von Natur aus robuster sind und daher auf aktueller Quantenhardware zuverlässiger laufen.“
Die Idee der Regelungstechnik: Durch ständiges Messen und automatisches Nachjustieren kann sich ein System selbstständig so steuern, dass es auch bei Störungen genau das tut, was es soll. Bei Quantenalgorithmen mag einer sehr schnell sein, aber auch fehleranfälliger, weshalb es womöglich besser ist, einen Algorithmus zu wählen, der etwas langsamer ist, aber auch robuster.
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„Wir wollen die Fehlerentstehung bei beliebigen Quantenalgorithmen mathematisch analysieren“, sagt Berberich. „Zunächst ermitteln wir dabei den Unterschied zum idealen – also fehlerfreien – Quantenalgorithmus. Dann geht es um die Frage, wie wir dieses Wissen bei realer Quantenhardware vorteilhaft ausnutzen können, um die Fehleranfälligkeit zu reduzieren. Hierzu können wir immer wieder an verschiedenen Stellschrauben des Algorithmus drehen.“
Dazu arbeitet Berberichs Team mit anderen Forschungsgruppen zusammen. Auf der Theorieseite ist eine Kooperation mit Mariami Gachechiladze von der TU Darmstadt geplant. Sie gilt als Expertin für Modelle, um Fehler bei Quantencomputern zu beschreiben. Auf der experimentellen Seite kooperiert Berberich mit Tilman Pfau vom 5. Physikalischen Institut der Uni Stuttgart. Dessen Arbeitsgruppe forscht an Quantenhardware, die auf Rydberg-Atomen beruht.
In den Experimenten geht es zunächst um die Frage, ob Berberichs theoretische Vorhersagen zur Eignung verschiedener Quantenalgorithmen zutreffend sind. „In einem zweiten Schritt untersuchen wir dann, inwieweit sich spezifische Eigenschaften eines Rydberg-Quantencomputers vorteilhaft für den Entwurf robuster Algorithmen ausnutzen lassen“, erläutert der technische Kybernetiker. Diese beiden Fragen will seine Gruppe auch an einem supraleiterbasierten Quantencomputer experimentell überprüfen. Solche Systeme sind bereits im Rahmen von kommerziellen Angeboten über die Cloud zugänglich.
„Unsere Forschung findet an der Schnittstelle zwischen Physik, Informatik, Mathematik und Ingenieurwissenschaften statt“, sagt der Associate Fellow des baden-württembergischen Forschungsnetzwerks Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST). „Diese Interdisziplinarität wird sich auch in der Besetzung der Promotionsstellen in meiner Gruppe niederschlagen.“ Der Aufbau seiner Emmy Noether-Gruppe ist in vollem Gang: Drei Promotionsstellen sind eingeplant – hinzu kommen projektnahe Abschlussarbeiten für Bachelor- und Master-Studierende. Die ersten Projekte starten im Laufe dieses Jahres, gefördert wird die Gruppe über insgesamt sechs Jahre. [U Stuttgart / dre]
