Quantensimulationsprojekt PASQuanS geht in die zweite Phase

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Quantentechnologien sind auf dem Vormarsch. Ein vielversprechendes Gebiet ist die Quantensimulation von Quantenvielteilchensystemen – die Nachahmung komplexer Quantensysteme mit vielen wechselwirkenden Teilchen unter extrem kontrollierten Laborbedingungen. Sie ermöglichen die Demonstration quantenmechanischer Effekte in , um beispielsweise die grundlegenden Eigenschaften von Modellen zur Beschreibung von Hochtemperatursupraleitung zu verstehen. Quantensimulationen erlauben tiefe Einblicke in das Verhalten dieser Systeme in Bereichen, die mit herkömmlichen numerischen Methoden nicht zugänglich sind. Durch die außergewöhnliche Kontrolle lassen sich außerdem vollkommen neue physikalische Systeme erschaffen.

Analoge und digitale Quantensimulatoren haben in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und entwickeln sich von reinen wissenschaftlichen Instrumenten für Physiker zu praktischen Werkzeugen für reale Probleme und industrielle Anwendungen. Sie könnten zum Beispiel die Entwicklung neuer Materialien unterstützen oder die Analyse chemischer Prozesse verbessern.

Ein Forschungsprojekt, das wesentlich zur Weiterentwicklung von Quantensimulationstechnologien und -anwendungen beigetragen hat, ist das europäische Quanten-Flaggschiff-Projekt PASQuanS, das im Jahr 2018 in der Zusammenarbeit verschiedener experimentell und theoretisch arbeitender Forschungsgruppen sowie Industriepartnern an den Start gegangen ist. Den Projektpartnern – unter der wissenschaftlichen Leitung von Professor Immanuel Bloch, Direktor der Abteilung Quantenvielteilchensysteme am MPQ und Lehrstuhlinhaber an der LMU – ist es gelungen, Systeme mit Atomen und Ionen zur fortschrittlichsten bisher existenten Plattform für Quantensimulationen zu entwickeln. Diese erfolgreiche Mission soll nun mit der Verlängerung des Projektes PASQuanS2 fortgeführt werden. Die Europäische Union fördert PASQuanS2 mit 16,6 Millionen Euro über die nächsten 3,5 Jahre im Rahmenprogramm Horizon Europe.

Zusammenarbeit mit zukünftigen Endnutzern

Für die kommenden sieben Jahre haben sich die 25 Partner des Projektes – führende Experten aus Forschungsinstituten, Industrie- sowie kleinen und mittleren Unternehmen und Start-ups aus sieben EU-Mitgliedstaaten – nun erneut unter der Leitung des MPQ in dem Rahmenprojekt PASQuanS2 zusammengeschlossen, um die Hard- und Software der Quantensimulatoren für konkrete wissenschaftliche und industrielle Probleme weiterzuentwickeln. Dabei haben sie sich einem weiteren ehrgeizigen Ziel verschrieben: Bis zum Ende der Projektlaufzeit sollen verifizierte Quantensimulatoren der nächsten Generation aus bis zu 10.000 einzelnen Quantensystemen in Betrieb sein und für Endnutzer zugänglich gemacht werden. „Wir freuen uns sehr darauf, einen Beitrag zu den ambitionierten Zielen dieses Konsortiums liefern zu können. Ein wichtiger Teil unserer Arbeit wird dabei sein, die lokalen Kontrollmöglichkeiten der Quantensysteme weiterzuentwickeln und den Anwendungsbereich der Quantensimulatoren zu erweitern“, sagt Professorin Monika Aidelsburger, die mit ihrer Arbeitsgruppe zu Synthetischer Quantenmaterie an der LMU neu in das Konsortium aufgenommen wurde.

„Diese Herausforderungen zu bewältigen, erfordert eine konzertierte Anstrengung zwischen Experimentatoren und Theoretikern aus der Wissenschaft und den Ingenieuren aus der Industrie, einschließlich auch den Hardware- und Softwaretechnologen, die mit zukünftigen Endnutzern zusammenarbeiten", unterstreicht Projektkoordinator Immanuel Bloch. „In der ersten Phase des Projekts planen wir den Aufbau eines Ökosystems für Quantensimulationen mit Hardware-Plattformen und maßgeschneiderter Software. Damit wollen wir in der zweiten Phase des Projekts einen Quantenvorteil für akademische und industrielle Fragen und Probleme demonstrieren.“