Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Das Forschungsvorhaben behandelt mit Modellen und Computersimulationsmethoden der theoretischen Quantenphysik die Frage, unter welchen Bedingungen ein gekoppeltes Spinsystem, bestehend aus NV-Zentren und einigen 13C Atomen, robuste Quantenzustände aufweist, die sich als Qubit-System für den Aufbau von festkörperbasierten Quantencomputern nutzen lassen. Die Charakterisierung und Zertifizierung essenzieller Quanteneigenschaften wie z. B. der Verschränkungsgehalt sollen im Hinblick auf Skalierbarkeit erforscht werden.
Das Vorhaben zielt auf eine quantitative Beschreibung der für das Quantencomputing (QC) konstitutiven Eigenschaften von Quantenregistern zunehmender Größe ab, wie sie z. B. im Rahmen des Projekts QC4BW II realisiert werden. Perspektivisch soll mit diesem Projekt die essenzielle Frage beantwortet werden, welche für das QC unverzichtbaren Quanteneigenschaften unter Zugrundelegung realer Materialeigenschaften bei welcher Registergröße bis zu welchen Grad kontrolliert erzielbar sind und welche Anforderungen hieraus an Diamant-NV-basierte QC-Hardware folgen.
Des Weiteren soll in diesem Projekt an der Frage gearbeitet werden, welche Möglichkeiten die aktuelle und perspektivisch auch die zukünftig zur Verfügung stehende QC-Hardware bietet, um zur Lösung material- und quantenphysikalischer Probleme beizutragen. Dafür sollen einfache Modelle der theoretischen Festkörperphysik auf dem IBM Quantum System One umgesetzt und mittels hybrider variationeller Algorithmen unter Einbeziehung geeigneter Fehlerkorrektur- und Fehlermitigationstechniken gelöst werden. Ebenso sollen verschiedene Methoden zur Simulation von designten offenen Quantensystemen implementiert und deren jeweilige Performanz auf dem IBM Quantum System One getestet, sowie die Techniken für die Simulation von offenen Vielteilchensystemen in kollektiven Spin-Bädern weiterentwickelt werden.
Für einen gewinnbringenden Einsatz von Quantencomputern ist dessen Vermögen, generische Quantenphänomene wie Kohärenz und Verschränkung über hinreichend lange Zeiträume verfügbar und kontrollierbar zu machen, entscheidend. Deshalb beabsichtigen wir, die Genauigkeit zu erproben, mit der sich Register-Zustände variablen Verschränkungsgehalts, unterschiedlicher Struktur (z. B. W-, GHZ-, Werner-Zustände) und zunehmender Größe auf dem IBM Quantum System One verlässlich herstellen und zertifizieren lassen. Dabei soll der Verschränkungsgrad der so präparierten Zustände direkt projektiv gemessen oder geeignet nach unten abgeschätzt werden.
Dieses Verbundprojekt wird im Rahmen des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg durchgeführt.
