PASQuanS2 zielt darauf ab, programmierbare, große atomare Quantensimulatoren der nächsten Generation zu entwickeln, die mit bis zu 10.000 Atomen arbeiten, und baut auf dem erfolgreichen europäischen Quanten-Flaggschiff-Projekt PASQuanS auf. Es vereint 25 akademische und technologische Partner aus Österreich, Frankreich, Deutschland, Italien, Slowenien und Spanien, darunter die Universität Innsbruck, das IQOQI und deren Spin-off-Unternehmen AQT und ParityQC.
Quantentechnologien haben sich in den vergangenen Jahren rasant entwickelt und zahlreiche bedeutende wissenschaftliche Durchbrüche erzielt. Eines der vielversprechendsten Anwendungsgebiete ist die Simulation von Vielteilchen-Quantensystemen wie Quantenmaterialien, Molekülen für die Arzneimittelforschung und den grundlegenden Bestandteilen der Materie unter extremen Bedingungen. Diese Probleme können mit speziellen Quantencomputern, den so genannten Quantensimulatoren, untersucht werden.
Die Entwicklung von analogen und digitalen Quantensimulatoren hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Da die verschiedenen Plattformen in Bezug auf Skalierbarkeit, Stabilität und Programmierbarkeit immer ausgereifter werden, entwickelt sich die Quantensimulation von einem Mittel der Physik zur Beantwortung spezieller wissenschaftlicher Fragen hin zu einem leistungsfähigen Werkzeug, das bei der Lösung realer Probleme hilft und praktische Anwendungen für die Industrie bietet. So können Quantensimulatoren in Zukunft möglicherweise zur Entwicklung neuer Materialien, zur Analyse chemischer Prozesse und zur Lösung von Optimierungsproblemen eingesetzt werden.
Ein Forschungsprojekt, das maßgeblich zur Weiterentwicklung von Quantensimulationstechnologien und -anwendungen beigetragen hat, ist das europäische Quanten-Flaggschiff-Projekt PASQuanS (2018-2022). Das Projekt, das experimentelle Gruppen, theoretische Teams und Industriepartner miteinander verbindet, hat erfolgreich Quantensimulationsplattformen auf der Basis von Atomen und Ionen weiterentwickelt und sie zu den bisher fortschrittlichsten gemacht. Die ursprünglich mit PASQuanS begonnene Mission wird nun durch das Nachfolgeprojekt PASQuanS2 fortgesetzt und erweitert.
Förderung eines dynamischen Ökosystems für Quantensimulation
PASQuanS2 vereint die meisten der ursprünglichen Konsortiumsmitglieder mit weiteren führenden Expertinnen und Experten aus Forschungsinstituten, der Industrie, kleinen und mittleren Unternehmen und Start-ups aus sieben EU-Mitgliedstaaten und will die Entwicklung der programmierbaren Quantensimulation in Europa in den nächsten sieben Jahren weiter vorantreiben. Unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben sich die 25 Partner zu einer Partnerschaft zusammengeschlossen, die ein ehrgeiziges siebenjähriges Forschungsprogramm vorsieht: Das Team wird Hard- und Software für relevante wissenschaftliche und industrielle Probleme weiterentwickeln, so dass bis zum Ende der Partnerschaft verifizierte Quantensimulatoren der nächsten Generation mit bis zu 10.000 einzelnen Quantensystemen in stabiler und für den Endnutzer zugänglicher Form demonstriert werden können.
Einem zweistufigen Ansatz folgend, startet PASQuanS2 nun seine erste Projektphase: das sogenannte PASQuanS2.1. Eines der Hauptziele dieser ersten Phase, die sich über die nächsten 3,5 Jahre erstreckt, ist die Entwicklung von Quantensimulatoren mit mindestens 2.000 Atomen und auf dem Weg zu 10.000 Atomen bei gleichzeitiger Verbesserung der Kontrolle, Stabilität und Skalierbarkeit. Neben der technologischen Weiterentwicklung der Plattformen und der Entwicklung einer ersten Version eines entsprechenden Softwarestacks zur Steuerung der Geräte wird PASQuanS2.1 die Erforschung industrieller Anwendungen und die Abbildung realer Probleme fortsetzen und gleichzeitig ein nachhaltiges Ökosystem von Endnutzern und offenen Quantensimulationsplattformen aufbauen. „Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert eine konzertierte Anstrengung zwischen Experiment und Theorie in der akademischen Welt und Ingenieuren aus der Industrie, einschließlich Hardware- und Softwareentwicklern, die mit potenziellen Endnutzern zusammenarbeiten“, unterstreicht Projektkoordinator Immanuel Bloch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Lehrstuhlinhaber an der LMU München. Er fasst die wichtigsten Aktivitäten und Ziele der nächsten 3,5 Jahre zusammen und fährt fort: "“Am Ende dieser ersten Phase planen wir ein Quantensimulations-Ökosystem mit Hardware-Plattformen und entsprechender maßgeschneiderter Software, das es uns ermöglicht, in der zweiten Phase von PASQuanS2 einen Quantenvorteil bei akademischen und industriellen Problemen zu demonstrieren. Darüber hinaus wird dieses Ökosystem eine integrierte Hardware-Lieferkette umfassen, die dazu beiträgt, modulare Systeme voranzutreiben, die wir während PASQuanS2.2 als Bausteine in Experimenten weiter implementieren werden, sowie eine Pipeline, die diese Bausteine an Industriepartner für die industriegetriebene Produktion von Quantensimulatoren und offenen Online-Plattformen weitergibt.“
Als Teil des Europäischen Flaggschiffs für Quantentechnologie wird PASQuans2 den Austausch und die Zusammenarbeit mit anderen EU-finanzierten Quantenprojekten und nationalen Programmen in ganz Europa fortsetzen und so den Technologietransfer und die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie auf Technologie- und Endnutzerebene fördern.