Wir entwickeln Algorithmen, die komplexe Berechnungen für Industrie und Forschung möglich machen. So lassen sich verschiedene Simulationen präzisieren, von Batteriespeichern bis hin zu Wetter- und Klimasimulationen. Davon profitieren die Luft- und Raumfahrt, der Energie- und der Finanzsektor.

Mit HAPEQS verbessern wir allgegenwärtige Methoden in der Wissenschaft und Industrie, indem wir Verfahren zur Lösung von partiellen Differenzialgleichungen entwickeln. Von diesen Berechnungen auf Neutralatom-Quantencomputern profitieren unter anderem die Batterieforschung oder die Strömungs– und Atmosphärenphysikforschung. Mit den Verfahren kann HAPEQS die Simulation für Batterien als mobile und stationäre Speicher mit potentiellen Nutzern im Energie- und Mobilitätssektor optimieren; die Luft- und Raumfahrtindustrie profitiert von verbesserten Simulationen von Wetter und Klima.

Motivation

Mit HAPEQS untersuchen wir die Lösung nichtlinearer partieller Differentialgleichungen auf realer Quantenhardware. Die betrachteten Anwendungen reichen hierbei von der mikroskopischen Modellierung von Energiespeichersystemen über Aerodynamik bis hin zu atmosphärischen Simulationen. Das Projekt umfasst eine große methodische Breite an Quantenalgorithmen, von Machine Learning über Hamiltonian-Simulation bis hin zu Tensornetzwerken, was den Transfer von Anwendungen und Ansätzen ermöglicht.

Partielle Differentialgleichungen (PDEs) sind allgegenwärtig in Natur und Technik, weshalb sowohl eine Vielzahl an Forschungs- und Entwicklungsbereichen als auch Wirtschaftszweigen, wie der Energiesektor, die Luft- und Raumfahrt oder der Finanzsektor, von den in HAPEQS entwickelten Algorithmen profitieren. Nichtlineare PDEs stellen hierbei eine besondere Herausforderung für Quantencomputer dar, welche fundamental auf linearen Operationen beruhen.

Durch die enge Kooperation verschiedenerr Anwendungen im DLR und der Hardwareentwicklung entstehen Synergieeffekte im Bereich des Hardware-Software-Codedesigns, die allen Anwendern innerhalb der DLR QCI zugutekommen. Mit Hilfe dieser gekoppelten und aufeinander abgestimmten Entwicklung können wir mit der Verbesserung der Neutralatom-Quantencomputer sukzessive auch die Größe und Genauigkeit der Simulationen verbessern.

Herausforderung

Zwischen der Skalierbarkeit von Algorithmen auf der einen Seite und der Ausführung auf realer Hardware auf der anderen Seite klafft eine Lücke, welche der Entwicklung praktischer Quantenalgorithmen entgegensteht. Im Projekt HAPEQS bündeln wir bisherige Expertise und bringen sowohl Soft- als auch Hardware-Entwickler zusammen, um die Lücke hin zur Lösung von partiellen Differenzialgleichungen auf Quantencomputern zu schließen.

Impact

Mit HAPEQS verzahnen wir die Entwicklung von Algorithmik und Quantencomputing-Hardware noch stärker als bisher. Von diesem engen Austausch profitieren sowohl das DLR als auch externe Partner, indem die Anforderungen der Anwender mit den Möglichkeiten der Plattformen zusammengebracht werden. Unser DLR QCI-Ökosystem bietet hierdurch eine Umgebung für Hardware-Software-Codesign, die die effiziente Lösung von PDEs auf Quantencomputern deutlich beschleunigen wird.

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