Systemfunktion des Quantencomputers

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) beabsichtigt, das Themenfeld "Systemfunktion des Quantencomputers" im Rahmen seines "Forschungsprogramms Quantensysteme. Spitzentechnologie entwickeln. Zukunft gestalten." zu fördern.

Hintergrund

Der Quantencomputer wird als eine bahnbrechende Technik angesehen, die das Potenzial hat, Probleme zu lösen, die herkömmlichen Systemen der Informationsverarbeitung praktisch nicht zugänglich sind. Dieser Vorteil ist im Vergleich zu allen etablierten IT-Systemen jedoch mit einem komplett neuen physikalischen Funktionsprinzip verbunden, das auf technischer Ebene eine Vielzahl vollkommen neuer und äußerst komplexer Systeme erfordert. Entsprechend ist die Realisierung eines Quantencomputers, der für Anwender relevante praktische Probleme zu lösen im Stande ist, bislang nicht möglich. Existierende und kurzfristig umsetzbare Systeme demonstrieren allein die funktionalen Grundprinzipien der Quanteninformationsverarbeitung. Ein konkreter Systementwurf, der eine geradlinige Skalierung zu praxistauglichen Größen erlauben würde, existiert bislang nicht. Vielmehr sind nach wie vor eine Anzahl unterschiedlicher physikalischer Implementationen eines Quantenprozessors Gegenstand der Forschung, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile aufweisen, von denen jedoch keine eine direkte Skalierung zu praxistauglichen Größen erlaubt.

Um auf einer mittelfristigen Zeitskala von etwa einer Dekade die Grenze der Praxistauglichkeit überschreiten zu können, sind noch umfangreiche F&E-Arbeiten erforderlich. Zahlreiche physikalische und technische Aufgabenstellungen müssen untersucht und gelöst werden. Dies betrifft vor allem auch die Kenntnis der konkreten Betriebszustände, in denen sich ein solcher potenziell anwendungstauglicher Prozessor bei der Verarbeitung eines Algorithmus tatsächlich befindet, insbesondere im Hinblick auf deren Störungsempfindlichkeit. Es gilt, ein vollständiges Bild der verschiedenen Einflüsse der Geräteperipherie und der Wechselwirkungen innerhalb des eigentlichen Quantenprozessors zu erhalten, mit Fokus auf solche besonders fragilen Quantenzustände, die beim Verarbeiten von anwendungsrelevanten Algorithmen zur Erzielung des Quantenparallelismus beherrscht werden müssen. In einem holistischen Ansatz sollen sowohl die besten verfügbaren klassisch-experimentellen Messverfahren als auch informationstechnische Benchmarks zum Einsatz kommen. Schlussendlich relevant ist die Charakterisierung anhand der Funktionalität und Güte in den jeweiligen Anwendungsszenarien.

Durch die Ausrichtung auf das Systemverständnis soll insbesondere auch eine engere Verzahnung zwischen den verschiedenen Arbeitsebenen und allen involvierten Disziplinen erreicht werden. Von der Informationstheorie über die Physik bis zur Ingenieurtechnik soll eine verbesserte Kenntnis der jeweiligen Voraussetzungen und Bedingungen für die Systemfunktion auch resultierend aus den anderen Arbeitsbereichen entstehen. Dabei ist die Fokussierung auf die Lösung mittelfristiger Aufgabenstellungen im Kontext der NISQ-Generation (Noisy intermediate scale quantum computer) prioritär. Weiter in die Zukunft reichende, fehlerkorrigierte Konzepte können insoweit adressiert werden, als eine experimentelle Verifikation im Rahmen eines dreijährigen Projektes möglich ist.

Ziel soll es sein, ein detailliertes Systemkonzept für einen anwendungsrelevanten Quantencomputer mit technischen Parametern und bei konkreter Systemskalierung anzugeben, auf dessen Grundlage auch belastbare Aussagen darü-ber möglich sind, welche technischen Komponenten beziehungsweise Subsysteme zur Realisierung bereits zur Verfügung stehen, welche erst noch entwickelt werden müssen und welche technischen Parameter dabei zentral sind.

Förderziel und Zuwendungszweck

Die Kenntnis aller relevanten Eigenschaften konkreter Quantencomputer-Aufbauten soll so weit vertieft werden, dass präzise Angaben im Sinne vollständiger Konstruktionspläne für einen Quantencomputer möglich werden, der die Schwelle zum Quantenvorteil für praxisrelevante Anwendungen sicher erreicht. Das ermittelte Systemdesign soll dann als Grundlage für eine Roadmap zur technischen Umsetzung dienen können und eine detaillierte und skalierbare Entwicklungslinie aufzeigen, die insbesondere auch die Peripherie des Prozessors vollständig umfasst. Dies schließt nicht aus, dass im Zuge der durchzuführenden Entwicklung auch grundlegende Probleme gelöst werden müssen.

Unmittelbar diesem Ziel zugeordnet ist das Bestreben, Forschungskooperationen zwischen Wissenschaft und Wirtschaft entlang der unterschiedlichen Fragestellungen aus dem Bereich des anwendungsorientierten Quantencompu-tings zu unterstützen, gerade auch zur Definition entsprechend relevanter Benchmarks, um so mittel- und langfristig einen wirksamen Transfer von Forschungsergebnissen in innovative Dienstleistungen und Produkte zu erreichen. Dieser Technologietransfer soll dazu beitragen, die Innovationskraft der Quantentechnologien in Deutschland im internationalen Wettbewerb zu erhalten und die Anwendungspotenziale von Quantencomputern für Wirtschaft und Gesellschaft zu erschließen.

Gefördert werden vorwettbewerbliche Verbundprojekte, die zu wesentlich verbesserten, technischen Systemlösungen führen oder dafür die notwendigen wissenschaftlichen und technischen Voraussetzungen liefern. Kennzeichen der Projekte sollen dabei ein hohes Risiko und eine besondere Komplexität der Forschungsaufgabe sein. Für eine Lösung ist in der Regel inter- und multidisziplinäres Vorgehen und eine enge Zusammenarbeit unterschiedlicher Unternehmen und Forschungseinrichtungen sowie künftiger Anwender dieser Systeme erforderlich. Im Zentrum stehen ganzheit-liche Ansätze, die alle Glieder dieser Kette sowie deren Zusammenspiel betrachten.

Bitte beachten Sie: Dies ist nur ein Auszug aus der Bekanntmachung. Die rechtlich geltende Bekanntmachung finden Sie im amtlichen Teil des Bundesanzeigers.