Ein Fahrplan für die Zukunft der Quantensimulation
Führende Forscherinnen und Forscher der Quantenwissenschaften, darunter auch Immanuel Bloch vom MPQ, haben in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals Nature einen Perspektivenartikel zur Zukunft der Quantensimulation, einer speziellen Form eines Quantencomputings, veröffentlicht.
Quantencomputer sind äußerst leistungsfähige Geräte mit einer Geschwindigkeit und Rechenkapazität, die im Falle spezieller Anwendungen weit über die Möglichkeiten der klassischen Datenverarbeitung hinausgehen können. Anstelle eines binären Systems aus Nullen und Einsen arbeiten sie mit Überlagerungen, die Null, Eins oder beides gleichzeitig darstellen können.
Die Quanteninformationsverarbeitung hat sich in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt und kann mittlerweile schon bei einigen künstlichen Problemen Vorteile gegenüber klassischen Computern vorweisen. Weitere Anwendungsbereiche sind bereits in Sicht. Ein vielversprechendes Feld ist die Simulation von Quantensystemen, mit der potenziell neue Materialien entwickelt, chemische Prozesse analysiert und Optimierungsprobleme gelöst werden können.
Ein Team von Experten der Universität Strathclyde, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik, der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Munich Center for Quantum Science and Technology, der Universität Innsbruck, des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Microsoft hat in einer in Nature veröffentlichen Arbeit die kurz- und mittelfristigen Möglichkeiten der Quantensimulation auf analogen und digitalen Plattformen untersucht, um das Potenzial des Feldes zu bewerten.
Professor Andrew Daley vom Department of Physics in Strathclyde ist Hauptautor der Studie. Er kommentiert darin: "In den letzten Jahren hat es viele spannende Fortschritte auf dem Gebiet der analogen und digitalen Quantensimulation gegeben und die Quantensimulation ist eines der vielversprechendsten Gebiete der Quanteninformationsverarbeitung. Sie ist bereits recht ausgereift, sowohl was die Entwicklung von Algorithmen als auch die internationale Verfügbarkeit von weit fortgeschrittenen analogen Quantensimulationsexperimenten betrifft. In der Geschichte der Informatik existierten das klassische analoge und das digitale Rechnen mehr als ein halbes Jahrhundert lang nebeneinander, mit einem allmählichen Übergang zum digitalen Rechnen. Wir erwarten eine ähnliche Entwicklung für das Gebiet der Quantensimulation.
Immanuel Bloch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Lehrstuhlinhaber an der LMU München fügt hinzu: „Wir sehen bei den jetzt existierenden, aber noch fehlerhaften Quantenrechnern bereits heute ein hohes Potenzial im Bereich der Quantensimulation, um komplexe Problemstellungen zu lösen. Gerade auf dem Gebiet der Materialwissenschaften ergeben sich direkte Anwendungsmöglichkeiten, mit denen fundamentale physikalische Fragestellungen untersucht werden können und die neue Einblicke in das komplexe Verhalten von Quantensystemen ermöglichen. Der nächste Schritt in der Entwicklung der Technologie wird sein, einen "praktischen Quantenvorteil" zu konkretisieren, d. h. den Punkt, an dem Quantenrechner Probleme von praktischem Interesse lösen werden, die auf herkömmlichen Supercomputern nicht berechenbar sind.“
Alle an dem Artikel beteiligten Organisationen verfolgen aktive Programme, die sowohl die Theorie der Architekturen und Algorithmen als auch die Entwicklung von Plattformen für analoge Quantensimulationen und digitale Quantencomputer umfassen. Kooperiert haben sie auch im Rahmen des Horizon 2020 EU Quantum Technologies Flagship-Projekts PASQuanS (www.pasquans.eu), das von Immanuel Bloch am MPQ mit koordiniert wird.
Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ist die Forschung in diesem Bereich in die Quantentechnologieprogramme Bayerns, des Bundes und der EU eingebettet und wird auf diesen Ebenen maßgeblich gefördert. Eine wichtige Rolle spielt dabei das DFG Exzellenzcluster des Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) und das im Jahr 2021 neu gegründete Munich Quantum Valley.
Den kompletten Perspektivenartikel lesen Sie hier auf der Seite von Nature: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04940-6
