Forschungskonsortien

In einem einzigartigen ganzheitlichen Ansatz verfolgt das Munich Quantum Valley ein "Full-Stack"-Quantencomputermodell, das die neuesten Forschungsergebnisse der Quanteninformationswissenschaft umsetzt. Multidisziplinäre Konsortien, die alle Schichten eines Quantencomputers, von der Hard- und Software bis zu den Anwendungen, entwickeln, schaffen maximale Synergien.

Hardware

Die Hardware-Ebene von Quantencomputern besteht aus einer Plattform, die Qubits und Gatter bereitstellt, um Überlagerungen und verschränkte Zustände zu erzeugen, die für den Quantenvorteil gegenüber klassischen Computern erforderlich sind. Verschiedene Realisierungen von Qubit-Systemen haben jeweils ihre eigenen Vorteile und können für spezifische  Anwendungen unterschiedlich gut geeignet sein. Aus diesem Grund umfassen die MQV-Konsortien drei der vielversprechendsten Technologieplattformen: Das SQQC-Konsortium befasst sich mit Qubits, die auf supraleitenden Schaltkreisen basieren, während das TAQC-Konsortium eine Plattform mit gefangenen neutralen Atomen implementiert. Darüber hinaus wird im MQV eine Plattform mit gefangenen Ionen untersucht. Das HAT-Konsortium unterstützt die experimentellen Bemühungen durch die Bereitstellung von Strategien zur Optimierung der Leistung aller drei Technologieplattformen.

Firmware

Für die Verwaltung aller Hardware-Komponenten ist eine Ebene der klassischen Steuerung, einschließlich schneller mikroelektronischer Geräte, unerlässlich. Für die angestrebte Industrialisierung von Quantencomputern ist es wichtig, bereits in einem frühen Stadium an der notwendigen Mikroarchitektur zu arbeiten. Das SHARE-Konsortium geht diese Herausforderungen für alle drei Technologieplattformen an. Die für den Zugriff auf die Quantensysteme erforderliche Systemsoftware wird vom Q-DESSI-Konsortium entwickelt. Wie auf der Hardware-Ebene bietet das HAT-Konsortium Unterstützung bei der Leistungsoptimierung.

Software

Es ist eine umfassende Softwareentwicklung erforderlich, einschließlich Systemsoftware, einer geeigneten Programmierumgebung und benutzerfreundlicher Werkzeuge. Diesen Herausforderungen widmet sich das Q-DESSI-Konsortium, das sich insbesondere auch mit der Entwicklung von Techniken zur Verbindung von Quantencomputern mit heutigen Hochleistungsrechnern befasst. Theoretische Orientierung bietet das THEQUCO-Konsortium, dessen Aufgaben von der Beantwortung offener Fragen der grundlegenden Quanteninformationstheorie bis hin zur Entwicklung von Quantenalgorithmen reichen.

Anwendungen

Ein Ziel des QACI-Konsortiums ist es, Anwendungsfälle für Forschung und Industrie zu identifizieren, etwa die Simulation chemischer Systeme oder komplexe Optimierungsaufgaben. Darüber hinaus soll das Quantencomputing den Endnutzern zugänglich gemacht werden, indem die erforderlichen Werkzeuge und Dienste, wie etwa eine Cloud-Computing-Infrastruktur, bereitgestellt werden.

 

Liste der Konsortien

Superconducting Qubit Quantum Computer (SQQC)

Das SQQC-Konsortium (Superconducting Qubit Quantum Computer [dt.: Supraleitende Qubit Quantencomputer]) wird Materialien und Herstellungsverfahren für supraleitenden Quantenprozessoren weiterentwickeln, Prozessordesigns optimieren und High-Fidelity-Qubit-Kontroll- und Ausleseschemata entwickeln, um die Leistung von Quantenprozessoren zu verbessern.

Das SQQC-Konsortium wird sich auf neuartige supraleitende Qubits konzentrieren, die leistungsfähiger sind als die üblicherweise verwendeten Transmon-Qubits, um die Hürde der geringen Anharmonizität zu überwinden, die zu gegenseiter Beeinflussung und Verlusten führt.

Das System wird für mindestens 24 Qubits optimiert und kann auf eine größere Anzahl von Qubits skaliert werden. Mit der geplanten Integration in eine Hochleistungsrechnerumgebung wird das SQQC-Konsortium in der Lage sein, schnelle und effiziente Quantenalgorithmen vom NISQ-Typ auszuführen und den Quantenprozessor auch für externe Nutzer zur Verfügung zu stellen.

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Trapped Atom Quantum Computer (TAQC)

Neutrale Atome sind ein vielversprechender Kandidat für die Realisierung von Quantencomputern mit einer klaren Perspektive der Skalierung in einen Bereich, in dem erste industrierelevante Anwendungen zu erwarten sind. Das TAQC-Konsortium (Trapped-Atom Quantum Computing [dt.: Gefangene-Atome-Quantencomputer]) wird eine Plattform entwickeln, die die Skalierbarkeit und Homogenität von Qubit-Registern mit optischem Gitter mit schnellen Zwei-Qubit-Gattern unter Verwendung hoch angeregter Rydberg-Zustände in neutralen Strontium-Atomen kombiniert. Darüber hinaus wird das TAQC-Konsortium alternative Qubit-Realisierungen, quantenverstärkte Metrologie und analoge Quantenberechnungen mit neutralen Atomen erforschen und damit den Weg für neutrale Atome ebnen, um einen Quantenvorteil für zahlreiche Anwendungen zu schaffen.

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Theoretical Quantum Computing (THEQUCO)

Das THEQUCO-Konsortium (Theoretical Quantum Computing [dt.: Theoretisches Quantencomputing]) hat sich zum Ziel gesetzt, neue Konzepte für das digitale und analoge Quantencomputing zu entwickeln, neue Algorithmen mit Quantenvorteil zu erstellen, Werkzeuge für die Verifizierung, das Benchmarking und die Zertifizierung von Quantencomputern zu entwickeln und Strategien zur Abschwächung und Korrektur von Fehlern zu entwerfen.
Neben der weitgehend plattformunabhängigen Forschung werden auch Algorithmen und Protokolle speziell an die verschiedenen Implementierungen des Quantencomputers angepasst, die mit dem MQV verfolgt werden.

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Quantum Development Environment, System Software & Integration (Q-DESSI)

Das Q-DESSI-Konsortium (Quantum Development Environment, System Software & Integration [dt.: Quantum-Entwicklungsumgebung, Systemsoftware und Integration]) widmet sich der Schaffung eines Munich Quantum Software Stack, einer technologieunabhängigen Softwareumgebung, die sowohl Quanten- als auch Hybridanwendungen ermöglicht. Er umfasst Programmier- und Laufzeitumgebungen mit optimierten Compilern, Laufzeitsystemen und Werkzeugen, die Systemsoftware, die für die Steuerung, den Zugriff und den Betrieb von Quantensystemen benötigt wird, sowie die Software zur Integration in bestehende Rechnerstrukturen als Teil des größeren Ökosystems des Hochleistungsrechnens (HPC). Die Arbeit innerhalb des Q-DESSI-Konsortiums baut auf der Hardwarearbeit in den Technologiekonsortien im Rahmen des MQV und der Partnerprojekte auf, bietet die notwendige technologieübergreifende Abstraktionsschicht sowie Dienste für die Anwendungs- und Bibliotheksschicht für die Nutzergemeinschaft.

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Scalable Hardware & Systems Engineering (SHARE)

Das SHARE-Konsortium (Scalable Hardware & Systems Engineering [dt.: Skalierbare Hardware & Systemtechnik]) wird sich auf skalierbare Hardware und Systemtechnik konzentrieren, um Qubit-Bauteile und Systemlösungen für supraleitende und Trapped-Atom-Quantencomputerplattformen zu entwickeln. Um die Kapazität und Leistung von Qubit-Plattformen zu erhöhen, wird das SHARE-Konsortium auf verschiedenen Ebenen des Quantencomputers beitragen. Dazu gehören Technologie und Herstellung, Entwicklung elektronischer Komponenten und Systeme für die Quantencomputerarchitektur sowie Echtzeit-Signalverarbeitung, Steuerung und Impulserzeugung.

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Quantum Algorithms for Application, Cloud & Industry (QACI)

Das QACI-Konsortium (Quantum Algorithms for Application, Cloud & Industry [dt.: Quantenalgorithmen für Anwendungen, Cloud und Industrie]) verfolgt drei Hauptziele:
Erstens, die Entwicklung von Quantenalgorithmen für komplexe industrielle Anwendungsfälle, die Suche nach der am besten geeigneten Hardwareplattform für den jeweiligen Anwendungsfall, die Optimierung dieser Algorithmen im Hinblick auf für den Nutzer relevante Kriterien und eine Abschätzung des Umfangs und der Zeitskala des erwarteten Quantenvorteils.
Zweitens soll ein Open-Source-Ökosystem mit einfach zu verwendenden High-Level-Anwendungsbibliotheken sowie Werkzeugen und Verfahren aufgebaut werden, die eine einfache und effektive Entwicklung, Bewertung und Überprüfung von Quantenanwendungen auch für Nichtfachleute ermöglichen.
Und schließlich sollen Benutzerunterstützung, Schulungen und vor allem ein einfacher Zugang zu Quantencomputer-Hardware und Simulatoren angeboten werden.

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Hardware Adapted Theory (HAT)

Das HAT-Konsortium (Hardware Adapted Theory [dt.: Hardwareangepasste Theorie]) wird dazu beitragen, die geplanten Hardware-Generationen im Rahmen des MQV optimal zu nutzen. Es wird auch zur Hardware-Entwicklung selbst beitragen, indem es die numerische Modellierung von Hardware-Komponenten bereitstellt und Werkzeuge zur Charakterisierung der Hardware und ihrer Fehler entwickelt. Das Konsortium wird an die Hardware angepasste Quantenkontrollstrategien und Quantenfehlerkorrekturprotokolle entwickeln, um die Zuverlässigkeit und Robustheit experimenteller Quantenoperationen in Gegenwart von Rauschen und experimentellen Unzulänglichkeiten und Einschränkungen zu optimieren. Diese Ansätze müssen auf mittelgroße Qubit-Register skalierbar sein. Das HAT-Konsortium bietet daher theoretische Unterstützung und Strategien zur Maximierung der Leistung der im Rahmen des MQV entwickelten Hardware-Plattformen.

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