Theorie offener Systeme

ERC Starting Grant: Theorie der Quantensimulation von Vielteilchenphysik im Beisein von Rauschen (engl. Theory of Noisy Quantum Simulation of Many-body Physics, kurz ToNQS)

Leiter: Dr. Rahul Trivedi

Ziel des ToNQS-Projekts ist es, ein theoretisches Fundament für die Beurteilung der Genauigkeit und Leistungsfähigkeit sogenannter „noisy“ (dt. verrauschter) Quantensimulatoren zu schaffen. Diese nutzen kontrollierbare Quantensysteme, um komplexe Vielteilchenphänomene nachzubilden – ein vielversprechender Ansatz, um Fragen jenseits der Möglichkeiten klassischer Rechner zu erforschen.

Die Themen der Forschungsgruppe reichen von Vielteilchenphysik über Quanteninformation bis hin zur Quantenbauelementephysik. Zentrale Projekte sind die Theorie komplexer offener Systeme, die Auswirkungen von Rauschen auf die Leistungsfähigkeit von Quantensimulatoren und Quantencomputern sowie die Physik und Anwendungen von Multi-Emitter-Quantenoptischen Systemen.

Die Themen der Forschungsgruppe reichen von Vielteilchenphysik über Quanteninformation bis hin zur Quantenbauelementephysik. Zentrale Projekte sind die Theorie komplexer offener Systeme, die Auswirkungen von Rauschen auf die Leistungsfähigkeit von Quantensimulatoren und Quantencomputern sowie die Physik und Anwendungen von Multi-Emitter-Quantenoptischen Systemen.

Unter Rauschen versteht man im Quantencomputing störende Einflüsse wie Temperaturschwankungen, elektromagnetische Felder oder kleinste Ungenauigkeiten in der Steuerung. Sie können die empfindlichen Quantenzustände leicht verändern oder zerstören. Da sich Quantensysteme nie vollständig von ihrer Umgebung abschirmen lassen, wird es Rauschen immer geben. Eine Fehlerkorrektur könnte Abhilfe schaffen, erfordert jedoch so viele zusätzliche Qubits und Ressourcen, dass vollständig fehlertolerante Quantencomputer bislang Zukunftsmusik sind.

Trivedi und sein Team wollen daher mathematische Werkzeuge entwickeln, die die Zuverlässigkeit analoger Quantensimulatoren selbst unter realen, rauschbehafteten Bedingungen zertifizieren können. Gelingt dies, könnten nicht nur bestehende Zweifel an solchen Simulatoren ausgeräumt werden. Auch Bereiche wie Festkörperphysik, Quantenoptik, Hochenergiephysik oder Komplexitätstheorie würden unmittelbar profitieren – lange bevor vollständig fehlerkorrigierte Quantencomputer Realität sind.

Trivedis Forschungsgruppe besteht derzeit aus drei Doktoranden, einer Masterstudentin sowie mehreren gemeinsam betreuten Studierenden in Zusammenarbeit mit anderen MPQ-Gruppen. Darüber hinaus pflegt die Gruppe enge Kooperationen mit Partnern in Europa und den USA. Mit dem ERC-Grant werden mehrere neue Stellen für Doktorandinnen und Postdocs geschaffen. Interessierte können sich über das Bewerbungsportal der Theorie-Abteilung am MPQ bewerben.

Über Rahul Trivedi

Rahul Trivedi studierte Elektrotechnik am Indian Institute of Technology in Delhi und promovierte 2021 an der Stanford University. Nach einem Postdoktorandenstipendium am Max Planck Harvard Research Center for Quantum Optics wurde er Assistant Professor an der University of Washington, bevor er 2024 als Physiker in Festanstellung ans MPQ zurückkehrte. Hier leitet er eine eigene Forschungsgruppe in der Theorie-Abteilung. Zuvor hatte er in den USA bereits Fördermittel der National Science Foundation (NSF) und des Department of Energy (DOE) für seine Arbeiten im Bereich Quanteninformation und Quantenoptik eingeworben.