Mitarbeiter gesucht für neues Verbundprojekt Fermion-Quantenprozessor (FermiQP)

Mitarbeiter gesucht für neues Verbundprojekt Fermion-Quantenprozessor (FermiQP)

FermiQP realisiert den Aufbau einer neuen, skalierbaren universellen Plattform für analoge Quantensimulation und digitales Quantenrechnen und vereint so die Vorteiler beider Konzepte in einer Maschine. Gesucht sind: Doktoranden, Postdoktoranden, Mechaniker und Ingenieure.

Der experimentelle Aufbau ist Teil des optischen Gitters in einem analogen Quantensimulator.

Quantencomputer und –simulatoren haben das Potenzial, eine Vielzahl von Problemen aus den Materialwissenschaften und der Quantenchemie schneller und effektiver zu lösen als klassische Rechner. Hierbei haben sich besonders Ansätze der analogen Quantensimulation und des digitalen Quantenrechnens als vielversprechend hervorgetan. Der analoge Quantensimulator ist schon heute soweit, Quantenvorteile beim Lösen und Rechnen solcher Probleme umzusetzen. Die Plattform ultrakalter Atome hat sich hier weltweit als führendes System etabliert und ist sowohl in der Größe als auch in der Skalierbarkeit bisher unübertroffen. Diese Vorteile rücken ultrakalte Atome auch für die Entwicklung von digitalen Quantencomputern ins Blickfeld. Diese, auf der anderen Seite, erlauben eine vielseitige und universelle Programmierbarkeit. Eine Plattform, die nun die Vorteile beider Systeme, der analogen Quantensimulation und des digitalen Quantenrechners, auf einer vereint, verspricht größtmöglichen Nutzen für mittel- als auch für langfristige Entwicklungs- und Verwertungskonzepte.

Quantengasmikroskop am MPQ. Das System besteht aus den zwei dicht bebauten optischen Tischen, der Elektronik im Hintergrund und einer nicht im Bild zu sehenden Steuerzentrale.

Gerade im Bereich ultrakalter Atome liegt in Deutschland weltweit führende Expertise vor. Verzahnt mit einer hiesigen leistungsstarken Photonikindustrie und –forschung entsteht hier eine starke Ausgangsbasis für die Entwicklung der Quantentechnologien.

Abb. 1: FermiQP realisiert den Aufbau einer neuen, skalierbaren universellen Plattform für analoge Quantensimulation und digitales Quantenrechnen (die auf der langjährigen Erfahrung mit der Quantensimulation mit ultrakalten Atomen basiert) und vereint so die Vorteile beider Konzepte in einer Maschine.

Das neu entstandene Verbundprojekt „Fermion-Quantenprozessor“ (FermiQP) befasst sich nun mit der Entwicklung einer neuartigen Quantenprozessorarchitektur und deren Demonstration im Labor. Die neue Architektur soll Vorteile schaffen, die keine andere Plattform aufweisen kann, allen voran die Möglichkeit eine Quantenmaschine in zwei fundamental verschiedenen Betriebsmodi zu nutzen: Einem analogem Modus, in dem kurzfristig ein Quantenvorteil für spezielle Fragen im Bereich neuartiger Quantenmaterialien erwartet wird, und einem digitalem Modus, in dem der Prozessor frei programmierbar ist. Der analoge Modus nutzt direkt die fermionische Natur des Prozessors, um Quantenmaterialien effizient abzubilden. Der digitale Modus bietet vergleichsweise gute Skalierbarkeit, eine volle Parallelisierbarkeit aller Qubit- Operationen und eine volle Konnektivität des Prozessors. Das Gesamtziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung eines leistungsfähigen Demonstrators für analoge Quantensimulation und digitales Quantenrechnen basierend auf der in Deutschland vorhandenen langjährigen Erfahrung mit der Quantensimulation mit ultrakalten Atomen und einer einzigartigen Erweiterung auf digitales Quantenrechnen. Dieser Demonstrator wird per Online-Zugriff programmierbar sein. Im analogen Modus werden ca. 1000 bis 10.000 Atome zur Verfügung stehen und der digitale Modus bietet ca. 200 vollständig vernetzte Qubits. Abbildung 1 fasst diese Ziele zusammen.

 

Projektpartner

Jeder Verbundpartner entwickelt einen anderen Aspekt des Projektes:

Max-Planck-Institut für Quantenoptik – „Aufbau des FermiQP Demonstrators“:

Das Team am MPQ wird den Demonstrator des fermionischen Quantenprozessors aufbauen, der sowohl den analogen, als auch den digitalen Betriebsmodus beherrscht. Gleichzeitig wird das Team auf einer bestehenden Plattform grundlegende Konzepte von FermiQP testen sowie erste analoge Algorithmen implementieren, die zusammen mit den Theoretikern entwickelt werden. Der theoretische Teile des Teams wird auf die FermiQP Architektur angepasste Algorithmen entwickeln.

• Prof. Dr. Immanuel Bloch (Max-Planck-Institut für Quantenoptik - MPQ)

Prof. Dr. Immanuel Bloch (MPQ + LMU) ist Wissenschaftlicher Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Lehrstuhlinhaber an der Ludwig-Maximilians-Universität in München. In seiner Arbeit befasst er sich mit Quantensimulation und Quantencomputing basierend auf Neutralatomen in optischen Fallen. Seine Arbeiten zählen zu den Pionierarbeiten auf diesem Gebiet und mit zu den höchstzitierten Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenphysik, für die er bereits mit zahlreichen Wissenschaftspreisen ausgezeichnet wurde. Neben seinem Engagement in Forschung und Lehre ist er auch in vielfältiger Weise als Berater nationaler und internationaler Forschungseinrichtungen und Förderinstitutionen tätig. Er koordiniert das EU-Flagship-Projekt PASQuanS.

• Prof. Dr. Ignacio Cirac (Max-Planck-Institut für Quantenoptik - MPQ)

Prof. Dr. Ignacio Cirac (MPQ + TUM) ist Wissenschaftlicher Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Honorarprofessor an der Technischen Universität München. Er hat die erste Generation von Quantencomputern und -simulatoren entscheidend geprägt, insbesondere solche, die auf gefangenen Ionen und Atomen in optischen Gittern basieren. Er hat eine Vielzahl von Quantenalgorithmen eingeführt, die eine Quantenbeschleunigung im Vergleich zu klassischen Algorithmen demonstrieren. Er hat auch mehrere Methoden zur Analyse von Vielteilchen-Quantensystemen entwickelt, die sowohl auf Tensor-Netzwerken als auch auf neuronalen Netzwerken basieren. Ignacio Cirac hat zahlreiche hochrangige Preise für die Entwicklung von Quantencomputern und -simulatoren erhalten. Er ist Mitglied im EU Projekt QTFLAG und im Projekt SuperQuLAN, welches von der EU und dem BMBF kofinanziert ist.

• Dr. Philipp Preiss (Max-Planck-Institut für Quantenoptik - MPQ)

Dr. Philipp Preiss wird als Projektleiter den Aufbau des FermiQP Demonstrators am MPQ koordinieren. Er ist Experte auf dem Gebiet der Quantensimulation von Wenigteilchen-Systemen mit ultrakalten Atomen. Während seiner Promotion an der Harvard Universität und seines Postdocs an der Universität Heidelberg hat er neue Techniken zur Einzelatom-Kontrolle und -Abbildung in Quantengasmikroskopen entwickelt. Diese Erfahrung wird direkt in die Realisierung lokaler Kontrollmöglichkeiten in FermiQP eingehen. Parallel erarbeitet er in seinem durch den ERC Starting Grant UniRand geförderten Projekt neue Konzepte zur schnellen Präparation und Charakterisierung von Vielteilchen-Systemen im Gitter.

• Dr. Timon Hilker (Max-Planck-Institut für Quantenoptik - MPQ)

Dr. Timon Hilker wird als zweiter Projetleiter den Aufbau des neuen Demonstrators unterstützen. Er ist Spezialist für Quantengasmikroskope und leitet die Experimente am bestehenden Fermi-Mikroskop am MPQ. Hier arbeitet er an stark korrelierten Quantensystemen und realisiert exotische Quantenphasen. Während seiner Promotion hat er beim Aufbau dieses Experiments entscheidende Fortschritte mit optischen Übergittern und Spin aufgelösten Abbildungsverfahren gemacht, die nun neue Anwendungen in FermiQP-Projekt finden werden. Weiterhin hat er im Rahmen des Marie-Curie Programms an der Universität Cambridge wichtige Erfahrungen mit Quantensystemen fern des Gleichgewichts erworben.

Ludwig-Maximilians-Universität München – „Datenrate und Kohärenzzeit für FermiQP“:

Der Projektpartner LMU München arbeitet an einer systematischen Optimierung des Transfers der Atome zwischen den beiden Hauptsektionen der Vakuumapparatur und dem Ladeprozess in das optische Gitter. Parallel dazu wird ein neuer Ansatz entwickelt, der eine direkte Präparation der Fermionen im Gitter erlaubt, was langfristig die Datenrate des FermiQP Prozessors signifikant erhöhen soll. Außerdem wird eine Magnetfeldstabilisierung entworfen, um die Kohärenzzeit der Qubit-Operationen zu erhöhen. Alle Entwicklungsschritte werden auf bestehenden Plattformen entwickelt und getestet, bevor sie in FermiQP integriert werden.

• Prof. Dr. Monika Aidelsburger (Ludwig-Maximilians-Universität München - LMU)

Prof. Dr. Monika Aidelsburger (LMU) ist Professorin an der Ludwig-Maximilians Universität München. Sie arbeitet auf dem Gebiet der Quantensimulationen, insbesondere der Entwicklung und Realisierung experimenteller Methoden, die analoge Quantensimulationen von neuen Modellen ermöglichen. Stabile optische Übergitter sind dabei eine der zentralen technologischen Komponenten. Ihr Projekt im Zusammenhang mit der Erweiterung der optischen Gitter-Plattform auf lokale Kontrollierbarkeit mit optischen Tweezern wurde mit einem ERC Starting Grant ausgezeichnet.

Eberhard Karls Universität Tübingen – „Prozessorskalierung und Konnektivität für FermiQP“:

Der Projektpartner Universität Tübingen beschäftigt sich mit der Realisierung der Konnektivität des FermiQP Prozessors, insbesondere wird das Teilsystem zum parallelen Transport der Atome in optischen Tweezern entwickelt und getestet. Für die Skalierung des FermiQP Prozessors sowie für neue Anwendungen des analogen Modus ist die Entwicklung neuer Kühlmethoden für fermionisches Lithium essentiell. Diese werden an der Universität Tübingen entwickelt.

• Prof. Dr. Christian Groß (Eberhard Karls Universität Tübingen - UT)

Prof. Dr. Christian Groß (Uni Tübingen + MPQ) ist international anerkannter Experte auf dem Gebiet der Quantensimulation mit Quantengasmikroskopen. In Zusammenarbeit mit Immanuel Bloch hat er eine technologisch weltweit führende Plattform basierend auf ultrakalten Lithiumatomen im optischen Gitter entwickelt, auf der der hier vorgeschlagene Quantenprozessor beruht. Insbesondere wurden hier schon die Kerntechnologien der lokalen Adressierung, hochstabiler Übergitter und der zustandsaufgelösten Detektion demonstriert. Weiterhin hat er im Rahmen eines ERC Grants eine Plattform zur Positionskontrolle einzelner Atome in optischen Pinzetten entwickelt, eine weitere Kerntechnologie des Fermion Quantenprozessors. Er ist Mitglied im EU-Flagship-Projekt PASQuanS.

Weitere Partner im Verbund:

• Prof. Dr. Tommaso Calarco (Forschungszentrum Jülich - FZJ) – „Optimale Kontrollverfahren für FermiQP“

• Prof. Dr. Jens Eisert (Freie Universität Berlin - FUB) – „Theorie für fermionische Quantenprozessoren“

• Prof. Dr. Andreas Tünnermann (Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik Jena - IOF) – „Entwicklung mikrooptischer Strahlführungssysteme zur optischen Adressierung einzelner Qubits“

• TOPTICA Photonics AG – „Leistungsstarke frequenzkonvertierte Lasersysteme für Lithium-6-Quantenprozessoren“

•  Robert Bosch GmbH und die Covestro Deutschland AG (assoziierte Partner) 

Offene Positionen

Am MPQ:

  • vier wissenschaftliche Stellen (Doktoranden und Postdoktoranden)
  • zwei technische Stellen (Mechaniker und Ingenieure)

Bewerbungen per E-Mail an immanuel.bloch@mpq.mpg.de 

Das Projekt beginnt im Spätsommer 2021 und hat eine Laufzeit von vier Jahren. 

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