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Anwendungen Hardware-nahe Software Köln
DLR-Institut

Ziel

Digital-analoges Quantenrechnen ist ein Ansatz, der die Vorzüge von kontinuierlichen, globalen, immer aktiven Zeitentwicklungen und gatterbasiertem Quantenrechnen verbindet. In diesem Projekt werden die bekannten technologischen Paradigmen „Digitized Adiabatic Quantum Computing with Non-Stoquastic terms” (DAQCNS) und „Digital-Analog Quantum Computing“ (DAQC) für die in der DLR QCI entwickelten Ionenfallen-basierten Quantencomputer angepasst und erprobt.

Dazu implementieren wir zwei Softwaremodule, die je einen der beiden Ansätze ausnutzen, um Quantenalgorithmen für ionenfallenbasierte Quantencomputer zu kompilieren. Diese Software eignet sich für die Integration in eine Quantum-as-a-Service-Plattform und kann auf den DLR QCI-Quantencomputern in Hamburg genutzt werden. Schließlich werden wir den Nutzen des digital-analogen Quantenrechnens in einem Anwendungsfall mit einem industriellen Hintergrund demonstrieren. Wir werden die Skalierbarkeit der beiden Ansätze bezüglich der Anzahl an Qubits untersuchen und die Relevanz für Anwendungen in naher Zukunft abschätzen.

Motivation

Wir wollen mit der Technologie Digital-Analoges Quantenrechnen auf Ionenfallen die Vorteile dieser Brückentechnologie gegenüber den jetzt noch fehlerhaften digitalen Maschinen hervorheben. Damit wollen wir neue Erkenntnisse im Übergang zwischen dem analogen und dem digitalen Prinzip erarbeiten. Wir werden auf den Ionenfallen Quanten-Algorithmen ausführen, welche Probleme lösen, die potentiell auf einem klassischen Rechner schwer zu lösen sind. Mit diesen Algorithmen sollen relevante Industrieprobleme gelöst werden können. Damit bietet dieses Projekt die Möglichkeit, Industriezweige in Deutschland zu erschließen, die bisher in der deutschen Quantencomputing-Industrie wenig vorhanden ist.

Herausforderung

Eine große Herausforderung für die Entwicklung von leistungsstarken Quantencomputern ist aktuell die Verbesserung der Gattergüten, beziehungsweise der Umgang mit verrauschten Gattern. Denn aktuelle Mehr-Qubit-Gatter, wie zum Beispiel Controled-Not, fügen viel Rauschen ein. Typische Werte für die Gatterfidelität sind 90–99,9 Prozent. Die Ein-Qubit-Gatter sind in der Regel mindestens ein bis zwei Größenordnungen besser. Das digital-analoge Quantenrechnen kann eine Lösung für dieses Problem sein, weil es ohne Mehr-Qubit-Gatter auskommt. Die Methode ist noch sehr neu und im Vergleich zu dem rein digitalen Quantenrechnen sehr wenig erforscht. Deshalb ist noch weitere Forschung nötig, um die Vorteile ausnutzen zu können. Vor allem ist es nötig, sich die konkrete Hardware anzusehen und Anpassungen der allgemeinen Methode vorzunehmen. Für die Leistung von Digitized Adiabatic Quantum Computing with Non-Stoquastic terms ist beispielsweise das native Gatterset der Quantencomputer entscheidend. Und auch für Digital-Analog Quantum Computing ist wichtig zu verstehen, wie sich die immer aktive Zeitentwicklung genau auswirkt.