Ein wichtiges Hilfsmittel auf dem Weg, Quantencomputer zu realisieren, sind Simulationen. Dabei werden Quantensysteme mithilfe spezieller Programme, sogenannter Emulatoren, auf Supercomputern oder in abgespeckter Form auch auf herkömmlichen Computern nachgeahmt. Forscher:innen des Jülich Supercomputing Centre entwickeln dafür Modelle und Methoden.
Leistung beurteilen
Die Vorteile: Alle simulierten Qubits arbeiten hundertprozentig zuverlässig – im Gegensatz zu realen Qubits, bei denen es häufig zu Fehlern kommt. Durch den Vergleich von Simulation und Realität lässt sich die Rechenqualität eines Quantencomputers beurteilen. Außerdem können Algorithmen entwickelt und getestet werden, die künftig auf Quantencomputern laufen sollen.
Simulationen werden aber auch genutzt, um die Eigenschaften von potenziellen Quantenmaterialien zu untersuchen, zum Beispiel die Leistungsfähigkeit von Majorana-Qubits, einem möglichen Qubittyp der Zukunft, der weniger fehleranfällig ist als halb- und supraleitende Qubits.
Quantencomputer des Projekts OpenSuperQ
Weltrekord für simulierte Qubits
Der Jülicher Emulator für Quantencomputer heißt „JUQCS – Jülich Universal Quantum Computer Simulator“. Er hält mit 48 Qubits den Weltrekord für die höchste Anzahl an simulierten Qubits. Für den Weltrekord nutzten die Jülicher Wissenschaftler: innen die Supercomputer Sunway TaihuLight (China) und K (Japan).
Mehr als 48 verschränkte Qubits zu simulieren, gilt jedoch als schwierig. Denn mit jedem Qubit, das darüber hinaus dazukommt, verdoppelt sich der Speicherbedarf des Rechners, auf dem die Simulation läuft. Auch moderne Supercomputer kommen hier an ihre Grenzen.
Simulationen auf dem Jülicher Supercomputer JUWELS trugen auch zum Beweis der sogenannten Quantenüberlegenheit durch Google im Jahr 2019 bei. Die Quantenüberlegenheit bezeichnet den Zeitpunkt, ab dem ein Quantencomputer erstmals einem herkömmlichen Rechner bei einer bestimmten Aufgabe überlegen ist. Das nachzuweisen, galt als große Herausforderung. Die Simulationen auf JUWELS halfen, die Ergebnisse zu verifizieren und die Leistung des Quantenprozessors von Google zu bestimmen.
Simulation von Quantenmaterialien
Das „Simulation and Data Laboratory Quantum Materials“ des Jülich Supercomputer Centre bietet Wissenschaftler:innen die Möglichkeit, Simulationen im Bereich Quantenmaterialien sowie Berechnungen von quantenmechanischen Eigenschaften von Materialien durchzuführen. Dafür entwickelt und verbessert das Laboratory mathematische Modelle und Werkzeuge.