Kick-off-Meeting für Projekt snaQCs2025
Verbundpartner wollen in drei Jahren Quantenfehlerkorrektur mit logischen Qubits erreichen.
Aufgrund ihrer fehleranfälligen Hardware bieten Quantencomputer bislang keinen praktischen Nutzen. Ein vielversprechender Lösungsansatz ist die Quantenfehlerkorrektur: Mithilfe spezieller Methoden werden Fehler in den Berechnungen von Quantencomputern gefunden und korrigiert, um zuverlässige Ergebnisse zu erreichen. Im Projekt snaQCs2025 arbeiten die neQxt GmbH, das Fraunhofer IAF und die Point 8 GmbH an der aufeinander abgestimmten Entwicklung von Quantenfehlerkorrektur-Verfahren und Quantenalgorithmen. Dies soll die praktische Anwendbarkeit von Quantencomputern entscheidend voranbringen. Im Januar fand das Kick-off des Projekts in Köln statt. Der Bund fördert snaQCs für drei Jahre mit 2,5 Millionen Euro.
Quantencomputer verfügen über immenses Potenzial, da sie hochkomplexe Berechnungen deutlich schneller als aktuelle Supercomputer durchführen könnten. Ebenso immens ist Stand heute allerdings die Hürde auf dem Weg zur praktischen Anwendung von Quantencomputern: die Fehleranfälligkeit ihrer Hardware. Weltweit arbeiten Forschende deshalb an Verfahren zur Quantenfehlerkorrektur, um die Berechnungen von Quantencomputern zuverlässiger zu machen.
Vor diesem Hintergrund haben die Verbunpartner das Projekt snaQCs2025 gestartet, um gemeinsam einen vielversprechenden Ansatz zur Quantenfehlerkorrektur entscheidend voranzutreiben. Mithilfe innovativer Simulations- und Integrationsverfahren, Software-Tools für Analyse und Optimierung sowie skalierbarer und fehlerresistenter Quantenalgorithmen wollen die Verbundpartner robuste logische Qubits für Quantencomputing-Hardware entwickeln. Auf diesem Weg soll die Fehleranfälligkeit physikalischer Qubits kompensiert werden, um Quantencomputing einen großen Schritt näher in Richtung praktische Nutzung zu bringen.
„Quantenfehlerkorrektur ist ein vielversprechender Ansatz, um die Fehleranfälligkeit von Quantencomputern entscheidend zu mindern und die Technologie in Richtung Praxistauglichkeit zu bringen. Im Projekt snaQCs weisen wir die praktische Nutzbarkeit von Quantenfehlerkorrektur und fehlertoleranten Quantenschaltkreisen nach, indem wir die Integration von Fehlerkorrektur-Routinen in Quantenalgorithmen untersuchen“, erläutert Projektkoordinator Dr. Sascha Heußen von neQxt, einer Ausgründung der Arbeitsgruppe Schmidt-Kaler an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz.
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„Mit einem innovativen Ansatz, der Analyse, Optimierung, Simulation und fehlertolerante Implementierung von Quantenalgorithmen vereint, leistet snaQCs einen Beitrag zur Realisierung von skalierbarem Quantencomputing in Deutschland”, betont Dr. Florentin Reiter, Geschäftsfeldleiter Quantensysteme und Leiter des snaQCs-Teilprojekts am Fraunhofer IAF.
„Quantencomputing gehört zu den vielversprechendsten Zukunftsthemen weltweit. Wir unterstützen sowohl den Fortschritt in diesem Bereich als auch den Wissenschaftsstandort Deutschland sehr gerne, indem wir unsere Expertise und Erfahrung in der Physik, Datenanalyse und Softwareentwicklung in das Projekt snaQCs einbringen”, erklärt snaQCs-Teilprojektleiter, Dr. Jesko Merkel, Mitgründer der Firma point8, die ihren Ursprung vor einem Jahrzehnt am europäischen Teilchenphysiklabor CERN hatte.
Die wichtigste Komponente eines Quantencomputers ist das Qubit. Es übernimmt als zentrale Informationseinheit dieselbe Funktion wie das Bit beim konventionellen Computer. Weltweit arbeiten Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen an verschiedenen Ansätzen zur Erzeugung von Qubits: Atome in elektromagnetischen Fallen, Elektronen in Quantenpunkten, supraleitende Schaltkreise oder Kernspins in Festkörpern und Molekülen. Im Gegensatz zum Bit kann ein Qubit mehrere Zustände (etwa 0 und 1) gleichzeitig annehmen (Superposition). Durch Quantenverschränkung sind zudem mehrere Qubits unabhängig von ihrer Distanz zueinander verbunden.
Gemeinsam ist allen Ansätzen zur Realisierung dieser physikalischen Qubits deren extreme Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen. Schon schwächste Mikrowellenpulse, Magnetfelder oder Temperaturschwankungen können die Superposition und Verschränkung von Qubits stören und die Berechnungen eines Quantencomputers kontaminieren. Die Nutzung von Quantenfehlerkorrektur kann dies ausgleichen: Durch den Zusammenschluss mehrerer physikalischer Qubits entstehen logische Qubits, in denen die Fehler einzelner Qubits im Verbund ausgeglichen werden. Für die Skalierbarkeit von Quantencomputern ist dies entscheidend: Während die Fehleranfälligkeit bei einer steigenden Anzahl physikalischer Qubits ansteigt, sinkt sie durch ihre Verbindung zu logischen Qubits.
Das Projekt snaQCs soll dazu beitragen, die Vorteile logischer Qubits für Anwender zu erschließen und eine reale Nutzung von Quantencomputern voranzutreiben. Hierzu arbeiten die Verbundpartner auf verschiedenen Ebenen sowohl an der Entwicklung besonders zuverlässiger logischer Qubits, optimierter, anwendungsorientierter Quantenalgorithmen als auch neuartiger Software für die Datenanalyse und -charakterisierung.
Das Ziel besteht in der Bereitstellung einer vollständigen Entwicklungspipeline, die von der Simulation, Realisierung und Integration logischer Qubits in reale Quantencomputer über die Optimierung und Neuentwicklung anwendungsspezifischer wie skalierbarer Algorithmen bis hin zur datengestützten Validierung und iterativen Verbesserung der Methoden reicht. Die Entwicklung und experimentelle Implementierung der logischen Qubits erfolgt auf Ionenfallen-basierter Quantencomputing-Hardware. [FhIAF / dre]
