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Quantencomputer

Jülicher Wissenschaftler liefern wesentliche Beiträge zur Entwicklung von Quantencomputern. Diese könnten in Zukunft spezielle Aufgaben deutlich schneller und effizienter lösen, als es mit herkömmlichen Supercomputern möglich ist. Die Technologie, die lange Zeit ein wenig nach Science Fiction klang, hat mittlerweile die Schwelle zum Markteintritt erreicht. Mehrere international führende Unternehmen sind in den Wettlauf zum ersten universellen Quantencomputer eingestiegen.

Herkömmliche Computer rechnen mit Bits, die nur die beiden Werte "0" oder "1" annehmen können. Ein Quantencomputer arbeitet dagegen mit Quantenbits, oder Qubits. Diese können zusätzlich sich überlagernde Zwischenzustände annehmen, die sich durch einzigartige Quanteneigenschaften wie Verschränkung und Interferenz auszeichnen.

Zu den möglichen Aufgaben für künftige Quantenrechner gehören etwa Optimierungsprobleme wie die Berechnung der kürzesten Wegstrecke für Kurierfahrer. Quantencomputer wären zudem in der Lage, große Datenbanken in kurzer Zeit zu durchforsten. Und sie gelten als inhärent abhörsicher. Die Quantentechnologie kommt daher als Basis für eine neue Klasse physikalisch abgesicherter Quanten-Netzwerke in Betracht.

Die Forschung im Bereich Quanteninformation ist einer der Forschungsschwerpunkte des Forschungszentrums Jülich, das seine Kompetenzen auf diesem Gebiet durch die Vernetzung mit dem QuTech-Institut in Delft und der RWTH Aachen im Rahmen der partnerschaftlichen Jülich Aachen Research Alliance (JARA) noch weiter ausbaut. Im Rahmen des EU-Flagship-Programms zur Quantentechnologie, das mit einer Milliarde Euro gefördert wird, ist eine weitere Bündelung der Aktivitäten geplant.

Wissenschaftler am Jülicher Peter Grünberg Institut arbeiten an den Grundlagen für Bauelemente und Methoden zur Quanteninformationsverarbeitung. Diese bilden die Basis für Quantencomputer mit 100 und mehr Qubits, wie sie für den praktischen Einsatz notwendig sind. Prof. David DiVincenzo, der zugleich am Forschungszentrum Jülich und an der RWTH Aachen forscht, ist einer der Pioniere seines Fachs. Mit seinem Namen ist unter anderem die Entwicklung von Kriterien für Quantencomputer verbunden, die sogenannten "DiVincenco criteria".

Die Gruppe von Prof. Kristel Michielsen am Jülich Supercomputing Centre (JSC) arbeitet an Methoden und Modellen, mit denen sich komplexe Quantensysteme auf Supercomputern simulieren lassen. In den letzten Jahren konnte Michielsen mehrere Rekorde bei der Simulation von Quantencomputern erzielen. Die Simulationsverfahren nutzen Forscher und Ingenieure, um damit Algorithmen für künftige Quantenrechner zu entwickeln und Methoden der Fehlerkorrektur vorab auf relativ großen Systemen zu erproben.

Die Entwicklung entsprechender Verfahren zur Quantenfehlerkorrektur ist auch einer der Schwerpunkte von Prof. Barbara Terhal, die in Delft und Jülich tätig ist. Die Instabilität von Quantenbits gilt als eine der größten Hürden bei der Entwicklung von Quantencomputern. Bestehende Korrekturverfahren sind teilweise nur auf eine begrenzte Anzahl von Qubits anwendbar.

Institute

Peter Grünberg Institut, Theoretische Nanoelektronik (PGI-2 / IAS-3)
Peter Grünberg Institut, JARA-Institute Quantum Information (PGI-11)
Arbeitsgruppe Quantum Information Processing am Jülich Supercomputing Centre (JSC)