Quantensimulationen haben zum Ziel, mit Hilfe eines gut kontrollierbaren Quantensystems einen bekannten, aber mit klassischen Mitteln nicht lösbaren Problem-Hamiltonian zu simulieren. Schon heute forschen Firmen wie Google und IBM intensiv daran, einen universellen Quantencomputer zu realisieren, der sich auch für Quantensimulationen eignet. Jedoch zeichnet sich ab, dass die nötige Fehlerkorrektur einen signifikanten Zusatzaufwand bedeutet und man viele tausende, wenn nicht sogar Millionen gut kontrollierbare Qubits brauchen wird, um ein erstes nützliches System zu bauen. Der derzeitige Stand der Technik erlaubt hingegen nur Plattformen mit einigen wenigen Qubits. Trotzdem ist es schon jetzt äußerst interessant zu überlegen, welche physikalischen Fragenstellungen sich mit einem Quantensimulator mit einigen Dutzend Qubits und einer endlichen Fehlerrate lösen lassen. Von großem Interesse sind hier insbesondere Probleme der Quantenchemie, Modellsysteme wie das Fermi-Hubbard-Modell, aber auch klassische (NP-)harte Optimierungsprobleme. Außerdem gilt es herauszufinden, welche Hürden zu überwinden sind, um mittlere bis große kohärente Quantensysteme zu bauen.

Das Seminar, welches vom 29. Januar bis am 2. Februar im Physikzentrum Bad Honnef stattfand, brachte Wissenschafter aus Universitäten und Industrie zusammen, welche mit unterschiedlichen Qubit-Implementationen (Ionenfallen, kalten Gasen, supraleitenden Qubits, Halbleiter-Quantenpunkten und Photonen) an skalierbaren Quantensystemen forschen. Alan Aspuru-Guzik (Harvard) eröffnete das Seminar mit einem eindrucksvollen Übersichtsvortrag zur Bedeutung der skalierbaren Simulation von Materie und den damit verbundenen möglichen Einsatzgebieten und Anforderungen an einen Quantenrechner. Neben einer Vielzahl von Quantenphysikern aus dem akademischen Umfeld zeigten auch Forscher aus der Industrie (Google, IBM, Microsoft und D-Wave), in welcher Richtung sie erste Anwendungen von Quantenrechnern sehen. Jüngere Forscher hatten während der Postersitzung die Möglichkeit, sich mit ihren erfahreneren Kollegen auszutauschen und Kontakte zu knüpfen. Insbesondere hilfreich war hierbei die exzellente Atmosphäre und Organisation im Physikzentrum. In einer angeregten Paneldiskussion wurden Vor- und Nachteile der verschiedenen Quantensysteme diskutiert, vor allem im Hinblick auf mögliche Anwendungsgebiete und Skalierbarkeit. Die Vorträge und die Diskussion machten deutlich, dass der Bau eines Quantenrechners eine enorm komplexe Aufgabe ist, die sich nur mit Hilfe einer breiten interdisziplinären Zusammenarbeit bewältigen lässt. Einigkeit bestand jedoch auch darin, dass schon in wenigen Jahren erste Quantensysteme mit etwa 50 Qubits einige spezifische Probleme schneller lösen werden als herkömmliche Großrechner.

Dr. Andreas Fuhrer, Dr. Stefan Filipp, IBM Rüschlikon; Prof. Dr. David DiVincenzo, FZ Jülich; Prof. Dr. Frank Wilhelm-Mauch, U Saarbrücken