Ressourcen für flexible Quanteninformationsverarbeitung

In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben sich Quantentechnologien von theoretischen Konstrukten zu experimenteller Realität entwickelt. Die Erwartungen an zukünftige Quantentechnologien sind hoch und betreffen insbesondere eine erhöhte Leistungsfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Apparaten. Dennoch sind die besten derzeit verfügbaren Quantenrechner noch weit von diesem Ziel entfernt, und können im direkten Vergleich nicht mit modernen Informationsverarbeitungsgeräten (z.B. Laptops) mithalten. Dies liegt mitunter daran, dass die benötigten Quantensysteme, etwa Atome oder Lichtteilchen, nur schwer isoliert und manipuliert werden können. Dementsprechend sind die Prototypen aktuell betriebener Quantencomputer auf Rechnungen mit wenigen Quantenbits, also Informationsträgern, die klassischen Bits entsprechen, beschränkt. In dem hier präsentierten Forschungsprojekt mit dem Titel Ressourcen für flexible Quanteninformationsverarbeitung werden wir der Frage nachgehen, wie die knappen Ressourcen für Quantencomputer und Quantenkommunikation möglichst effizient und flexibel verwendet werden können. Ein innovativer Aspekt dieses theoretischen Forschungsvorhabens liegt in der Entwicklung anpassungsfähiger Mehrzweckgeräte zur Quanteninformationsverarbeitung. Die Bedeutung solch adaptiver Geräte, die für mehrere verschiedene Aufgaben eingesetzt werden können, liegt angesichts der beschränkten Ressourcen, die nur mit großem Aufwand herzustellen sind, auf der Hand. Eine Inspirationsquelle für das Projekt liegt dabei in der fortschreitenden Miniaturisierung moderner Mobiltelefone. Für die Erforschung von flexiblen Quantenapparaten werden wir daher untersuchen, wie Ressourcen für Aufgaben, wie verbessertes Quantenrechnen oder sichere Quantenkommunikation, ineinander umzuwandeln und effizient einzusetzen sind, um auch andere Funktionen, wie etwa die Bestimmung unbekannter Parameter, ausführen zu können. Zusätzlich zu den informationstheoretischen Ressourcen wird auch die Umwandlung von physikalischen Ressourcen, etwa Energie, behandelt werden. Zu diesem Zweck wird die Erforschung von Rechen- und Kommunikationsprotokollen in den Kontext physikalischer Theorien, u.a. Thermodynamik für Untersuchungen im Bereich Umwandlung und Extraktion von Energie in Quantensystemen sowie Quantenoptik zur Beschreibung der Interaktion von Licht und Materie, gestellt. Unter Zuhilfenahme dieser Methoden werden verschiedene Aufgaben untersucht werden, z.B. wie Energie aufgewendet werden kann, um Informationen über unbekannte Parameter zu erhalten, und welchen Einfluss fundamentale und praktische Einschränkungen haben können. Es ist zu erwarten, dass der facettenreiche und interdisziplinäre Charakter dieses Projekts viele neue Einsichten in die Beziehungen der Ressourcen verschiedener quantenverbesserter Verfahren hervorbringen wird, und das Projekt damit als Bindeglied zwischen computerwissenschaftlichen und physikalischen Aspekten der Quanteninformationswissenschaft fungieren wird.

In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben sich Quantentechnologien von theoretischen Konstrukten zu experimenteller Realität entwickelt. Die Erwartungen an zukünftige Quantentechnologien sind hoch und betreffen insbesondere eine erhöhte Leistungsfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Apparaten. Dennoch sind die besten derzeit verfügbaren Quantenrechner noch weit von diesem Ziel entfernt, und können im direkten Vergleich nicht mit modernen Informationsverarbeitungsgeräten (z.B. Laptops) mithalten. Dies liegt mitunter daran, dass die benötigten Quantensysteme, etwa Atome oder Lichtteilchen, nur schwer isoliert und manipuliert werden können. Dementsprechend sind etwa die Prototypen aktuell betriebener Quantencomputer auf Rechnungen mit wenigen Quantenbits, also Informationsträgern, die klassischen Bits entsprechen, beschränkt, benötigen aber komplexe Kontrollmechanismen, Energiezufuhr, Kühlung, und andere Ressourcen für ihren Betrieb. In dem hier präsentierten Forschungsprojekt mit dem Titel "Ressourcen für flexible Quanteninformationsverarbeitung" wurde daher ein dualer Ansatz verfolgt: Einerseits, wurde untersucht, wie die rar verfügbaren Quantenressourcen am effizientesten eingesetzt werden können, um Aufgaben wie etwa Rechnungen auf Quantencomputern oder die Verteilung von Quantensystemen in Kommunikationsnetzwerken durchzuführen. Zu den Schlüsselresultaten dieses Forschungsansatzes gehören die Entwicklung von Algorithmen für maschinelles Lernen, mit deren Hilfe Quantencomputer durch dynamische Anpassung ihrer Fehlerkorrekturverfahren vor sich verändernden äußeren Störungen geschützt werden können, sowie der Entwurf von Prozeduren, welche die Verteilung von Quantensystemen an multiple Nutzer verbessern können, indem sie Informationen aus normalerweise vernachlässigten, fehlerhaften Durchläufen miteinbeziehen. Der zweite Forschungsansatz dieses Projektes zielte darauf ab, fundamentale theoretische Einsichten in Ressourcen zu gewinnen, die nötig sind, um die zuvor erwähnten Quantenressourcen überhaupt erst in ausreichender Qualität zur Verfügung zu stellen. Dabei half das Projekt, einige grundlegende Fragen zu beantworten, insbesondere, danach, wie Zeit, Energie, und präzise Kontrolle über interne Strukturen und Interaktionen komplexer Quantensysteme zusammenspielen, um es möglich zu machen Messungen durchzuführen, Quantensysteme auf die notwendigen niedrigen Temperaturen zu kühlen, als Arbeit verwendbare Energie zu speichern und abzuschätzen, und damit Korrelationen zwischen Quantensystemen zu erzeugen. Der facettenreiche und interdisziplinäre Charakter dieses Projekts hat viele neue Einsichten in die Beziehungen der Ressourcen verschiedener quantenverbesserter Verfahren hervorgebracht, und das Projekt spannt damit eine Brücke zwischen computerwissenschaftlichen und physikalischen Aspekten der Quanteninformationswissenschaft.