Quanteninformatik - Algorithmen, Software, Anwendungen;

Theoretische Arbeiten haben gezeigt, dass Computersysteme, die sich genuin quantenmechanischer Phänomene bedienen, für bestimmte IT-Problemstellungen beweisbar schneller funktionieren als selbst die leistungsfähigsten digitalen Computer. Der Zeitgewinn der Quantencomputer liegt dabei nicht in einem einfachen Multiplikator im ¬Vergleich zu den klassischen Rechnern, vielmehr skaliert er in bestimmten Fällen exponentiell mit der Problemgröße. Ein Beispiel für ein solches exponentiell skalierendes Problem ist die Dekodierung der Public-Key-Verschlüsselungen, die heute täglich im internationalen Datenverkehr genutzt werden.
Das Verständnis und die effiziente Nutzung solcher leistungsfähiger Computersysteme sind von essentieller Bedeutung für eine moderne Industrie. Dies gilt insbesondere für Märkte, die eine sichere Beherrschung hochkomplexer technischer Systeme und Verfahren erfordern. Beispiele für Fachgebiete, für die angenommen wird, dass sie von Quantencomputern stark profitieren können und denen für künftige Märkte eine Schlüsselrolle zukommt, sind die künstliche Intelligenz und das Maschinenlernen, ebenso Anwendungen, die der Optimierung sehr komplexer Systeme bedürfen, etwa in der Finanzindustrie oder der Logistik.
Gegenstand der Förderung sind risikoreiche, vorwettbewerbliche FuE-Vorhaben mit direktem Bezug zur Quanten¬informatik. Eine praxisrelevante Zielsetzung ist zwingend erforderlich und muss sich im Projektkonsortium geeignet abbilden; rein erkenntnisorientierte Arbeiten werden nicht unterstützt.
Gefördert werden die Entwicklung und Anwendung genuiner Quantenalgorithmen, deren Überlegenheit mathematisch nachweisbar ist, wie auch Arbeiten zu heuristischen Verfahren, von denen noch weitestgehend unklar ist, ob und in welchen konkreten Instanzen sie von einer Quantenbeschleunigung profitieren können. Letztere weisen naturgemäß einen stärker experimentellen Charakter auf. Geeignete Kandidaten werden zweckmäßig zunächst auf klassischer Hardware im Hinblick auf die zu erwartende Quanten-Performanz simuliert. Themen entsprechender Projekte können beispielsweise sein:
- Anpassung und Optimierung bekannter Quantenalgorithmen wie beispielsweise Quanten-Fouriertransformation, Quanten-Faktorisierung oder Quanten-Hamiltonoperator-Simulation für neue Anwendungen,
- Entwicklung neuer Quantenalgorithmen, gegebenenfalls unter Einbeziehung von komplexitätstheoretischen Fragestellungen,
- Untersuchung des Nutzens von Quanten-Näherungs- und Optimierungsalgorithmen, sowohl gatterbasiert, als auch adiabatisch, insbesondere auch im Hinblick auf den Nachweis einer Quantenbeschleunigung,
- Quanten-Maschinenlernen,
- ,,Analoge" Algorithmen für Quantensimulatoren,
- Optimierung klassischer Hardware zur effizienten Simulation von Quanten-Hardware und Quanten-Algorithmen; Entwicklung universeller ,,klassischer" Quanten-Simulatoren.

Eine wesentliche, in naher Zukunft zu erwartende Aufgabenstellung wird darin liegen, die mittelfristig verfügbare Quanten-Hardware mit ihren diversen Unzulänglichkeiten und Limitierungen für sinnvolle Anwendungen zu nutzen. Damit zusammenhängende Aufgabenstellungen sind beispielsweise:
- Algorithmen und Anwendungen für nicht fehlerkorrigierte Quantenrechner von wenigen hundert Qubits (sogenannte ,,noisy intermediate-scale quantum computer - NISQ"),
- hybride Algorithmen für klassische und (NISQ-) Quantenhardware,
- robuste Algorithmen mit erhöhter Quanten-Fehlerresilienz,
- Entwicklung von Algorithmen für Quanten-Systeme (Gatter/Simulator/Annealer) mit eingeschränkter Konnektivität.

Alle Quantenrechner, sowohl die heutigen, stark limitierten, wie auch künftige, potenziell hochperformante Systeme benötigen spezifische Betriebssoftware. Diese trägt den systemimmanenten Eigenschaften der Quantencomputer Rechnung und macht deren Vorteile optimal für konkrete Anwendungen verfügbar, ohne dass ein Anwender hierfür Spezialkenntnisse benötigt. Aufgabenstellungen in diesem Kontext sind beispielsweise:
- effektive Verfahren für die Fehlerkorrektur und die Maximierung nutzbarer ,,logischer" Qubits,
- Entwicklung von Programmierschnittstellen und Compilern zur Anwendung von Quantenalgorithmen sowohl auf universellen Quantencomputern, als auch für spezifische reale Quanten-Architekturen, insbesondere auch von einer breiten Community unterstützte stabile und praxisnahe Open-Source-Lösungen,
- Befehls-Codes für die Kontrolle und Auslese von Quantenprozessoren, sowie zur Steuerung der physikalischen und computertechnischen Peripherie eines Quantenprozessors,
- Simulationstools zur einfachen Überprüfung der Verwendbarkeit bzw. des Nutzens eines Quantencomputers bei konkreten neuen Anwendungen,
- erste, einfache Bibliotheken und Programmroutinen zur systematischeren Übertragung realer Problemstellungen auf geeignete Quantenalgorithmen.
Diese Aufzählungen sind nicht abschließend, sondern beispielhaft zu verstehen. Charakteristisch für alle Vorhaben soll sein, dass eine klar definierte Zielsetzung im Rahmen der Quanteninformatik durch ein effizientes, auf die Zielerreichung fokussiertes Konsortium adressiert wird.
Je nach Zielsetzung des Projekts kann es erforderlich sein, Zugriff auf bereits existierende und kommerziell für eine Nutzung verfügbare Quantenhardware zu verwenden. Entsprechende Kosten können ebenso beantragt werden, wie Mittel für die Quantensimulation auf klassischen, gegebenenfalls geeignet optimierten Rechnern.
Die Förderdauer beträgt bis zu drei Jahre.
Mit der Abwicklung der Fördermaßnahme hat das BMBF derzeit folgenden Projektträger beauftragt:
VDI Technologiezentrum GmbH
Projektträger Quantensysteme
VDI-Platz 1, 40468 Düsseldorf
Kontakt:
Dr. Martin Böltau Telefon: 02 11/6 21 44 65, E-Mail: boeltau@vdi.de

Weitere Informationen:
https://www.bmbf.de/foerderungen/bekanntmachung-2674.html