Steuerung neutraler Atome und Grundlagen für Quantencomputeranwendungen
Über
Unsere Forschung erschließt das gesamte Spektrum des Quantencomputing-Stacks, von der hardwarebasierten Quantensteuerungstechnik bis hin zu Quantenalgorithmen. Schwerpunkte bilden dabei Quantenplattformen aus Neutralatomen und Quantencomputeranwendungen.
Forschungsthemen
Einerseits entwickeln und optimieren wir Steuerimpulse für Quantencomputer und -simulatoren an der Schnittstelle zu experimentellen Plattformen, die auf Neutralatomen und Rydberg-Atomen basieren. Wir unterstützen die Entwicklung einer robusten, hochpräzisen Steuerungs-Firmware, die an immer leistungsfähigere Quantencomputer angepasst wird. Andererseits fördern wir Quantencomputeranwendungen, indem wir die Grenzen und Möglichkeiten für Quantenalgorithmen untersuchen und ihr Potenzial für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen ausloten, wie z. B. in der Quantensimulation. Diese beiden Schwerpunkte werden durch die Entwicklung einer Quantensystemtheorie verbunden, die auch die inhärenten Symmetrien der hochdimensionalen Quantendynamiken berücksichtigt.
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Forschung
Steuerung neutraler Atome
Aktuelle experimentelle Plattformen für Quantencomputing und -simulation zielen darauf ab, grundlegende Quantengatter zu implementieren bzw. die Dynamik eines experimentell nicht zugänglichen Quantensystems zu simulieren. Es ist entscheidend, dass geeignete Steuerungspulse auf die spezifische experimentelle Plattform zugeschnitten werden, um eine hohe Genaugikeit und Robustheit während des Betriebs zu gewährleisten. Diese Herausforderung nehmen wir insbesondere für experimentelle Plattformen an, die auf Neutralatomen und Rydberg-Atomen basieren.
Aktuelle Forschungsthemen schließen den kontrollierten Transport von neutralen Atomen mit optischen Pinzetten und die Implementierung von Zwei-Qubit-Kollisionsgattern ein. Zu diesem Zweck untersuchen, modellieren und simulieren wir numerisch Quantenplattformen und deren Dynamik. Dies ermöglicht es uns deren Betrieb mithilfe von Methoden der Regelungs- und Optimierungstheorie zu verbessern. Über modellbasierte Ansätze hinaus entwickeln wir auch Methoden, um Quantengatter direkt auf Basis von experimentellem Feedback zu optimieren. Weiter bestimmen und korrigieren wir Verzerrungen, die während der Steuerung der experimentellen Plattformen entstehen und insbesondere durch elektronische und optische Komponenten ausgelöst werden. Dabei kooperieren wir mit weltweit führenden Experimentalphysikern im Rahmen verschiedener drittmittelgeförderter Projekte.
Léo Van Damme, Robert Zeier, Steffen J. Glaser, Dominique Sugny,
Application of the Pontryagin maximum principle to the time-optimal control in a chain of three spins with unequal couplings,
Phys. Rev. A 90, 013409 (2014), doi:10.1103/PhysRevA.90.013409
Juhi Singh, Robert Zeier, Tommaso Calarco, Felix Motzoi,
Compensating for Nonlinear Distortions in Controlled Quantum Systems,
Phys. Rev. Appl. 19, 064067 (2023), doi: 10.1103/PhysRevApplied.19.064067
Grundlagen für Quantencomputeranwendungen
Eine zentrale Herausforderung des Quantencomputings besteht darin, Algorithmen und Software zu entwickeln, die uns erlauben praktische industrielle Probleme effizienter lösen. Variationelle Quantenalgorithmen zielen darauf ab, Grundzustände von speziell konstruierten Quantensystemen zu bestimmen. Dies basiert auf einer klassischen Feedback-Optimierung von Winkeln in Quantengattern oder allgemein Quantensteuerungsparametern auf Basis experimenteller Messungen. Diese variationelle Quantenalgorithmen gelten als vielversprechende Option für relevante kombinatorische Probleme wie die quadratische, unbeschränkte binäre Optimierung, einschließlich des populären Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) für das Graphen-Problem zur Bestimmung des maximalen Schnitts. Allerdings ist bislang nur wenig über deren (garantierten) Leistungsfähigkeit bekannt, und weiter fehlen uns geeignete Werkzeuge, um deren Verhalten in exponentiell großen Räumen zu analysieren.
Wir untersuchen diese Fragestellung im Kontext einer Quantensystemtheorie für Quantenalgorithmen, die wir entwickeln unter Berücksichtigung der inhärenten Symmetrien und der Methoden aus der Kontrolltheorie. Dies umfasst auch die Untersuchung effektiver klassischer Simulationsmethoden für hochdimensionale Quantendynamiken. Darüber hinaus arbeiten wir an quanten-klassischem Co-Design von Algorithmen, die sowohl aus quantenmechanischer als auch aus klassischer Perspektive untersucht und verfeinert werden. Dies erlaubt eine realistische Einschätzung deren jeweiligen Stärken und Schwächen und ermöglicht potentiell auch die Entwicklung von quantenmechanisch inspirierten klassischen Algorithmen.
Zoltán Zimborás, Robert Zeier, Thomas Schulte-Herbrüggen, Daniel Burgarth,
Symmetry criteria for quantum simulability of effective interactions,
Phys. Rev. A 92, 042309 (2015), doi:10.1103/PhysRevA.92.042309
Sujay Kazi, Martín Larocca, Marco Farinati, Patrick J. Coles, M. Cerezo, Robert Zeier,
Analyzing the quantum approximate optimization algorithm: ansätze, symmetries, and Lie algebras,
arXiv:2410.05187, doi:10.48550/arXiv.2410.05187
Forschungsprojekte
FermiQP (08/2021 – 12/2025) gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung durch das Förderprogramm Quantentechnologien — von den Grundlagen zum Markt in dem Projekt FermiQP 13N15891
HPCQS (12/2021 – 11/2025) supported by the European High-Performance Computing Joint Undertaking (JU) under grant agreement No 101018180. The JU receives support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme and Germany, France, Italy, Ireland, Austria, Spain.
ML4Q (01/2023 – 12/2025) gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und Länder — Exzellenzcluster Materie und Licht für Quanteninformation (ML4Q) EXC 2004/1 – 390534769
PASQuanS2.1 (04/2023 – 09/2026) supported by the Horizon Europe programme HORIZON-CL4-2022-QUANTUM-02-SGA via the project 101113690
MUNIQC-Atoms (01/2022 – 12/2026) gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung durch das Förderprogramm Quantentechnologien — von den Grundlagen zum Markt in dem Projekt MUNIQC-Atoms 13N16073