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

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 Anwender1 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 Forschungs- und Entwicklungsarbeiten 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 darüber 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.

Mit der Fördermaßnahme verfolgt das BMBF das Ziel, den Transfer innovativer Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Quantentechnologien zu unterstützen und damit wichtige Beiträge für Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit sowie für die Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Digitalisierung und Nachhaltigkeit zu leisten.

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