Beschleunigung komplexer Bildverarbeitungsaufgaben auf Quantencomputern

01.03.2022

Das Korrespondenzproblem ist eine fundamentale Herausforderung in der maschinellen Bildverarbeitung, bei der Stützpunkte eines 2D- oder 3D-Körpers einem anderen zugeordnet werden. Es handelt sich dabei um ein kombinatorisches Optimierungsproblem, das auf klassischen Computern viel Zeit in Anspruch nimmt. In der Publikation Q-Match: New approach for shape matching with Quantum Annealing demonstrieren wir einen neuen Quantum Computing Ansatz, genannt Q-Match, der es ermöglicht, Probleme zu lösen, die um eine Größenordnung größer sind.

Projektstart ATIQ: Implementierung von Quantenalgorithmen aus Chemie und Finanzwesen

28.02.2022

Im Projekt „Quantencomputer mit gespeicherten Ionen für Anwendungen“ (ATIQ) werden Quantencomputer-Demonstratoren gemeinsam mit Anwendern entwickelt. Dabei gehen die 25 Projektpartner große technische Herausforderungen an, um deutsche Quantencomputer-Demonstratoren zu realisieren und Nutzern im 24/7 Betrieb zugänglich zu machen. Die führenden Gruppen der Ionenfallenforschung an den Universitäten in Hannover/Braunschweig, Siegen und Mainz haben sich hierzu mit weiteren führenden Forschungseinrichtungen und Industriepartnern zusammengeschlossen. Das Projekt wird vom Bundesforschungsministerium gefördert. ATIQ birgt in der Tat ein enormes wirtschaftliches und wissenschaftliches Erfolgspotenzial. Quantencomputer versprechen ungekannte Rechenpower für Anwendungen, an denen auf rein digitale klassische Hochleistungsrechner Rechner alleine komplett scheitern. Die Kombination von klassischem Hochleistungsrechner und Quantencomputer dagegen eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten. Es besteht daher dringender Bedarf für Deutschland, robuste und skalierbare Quantenhardware zur Verfügung zu stellen. Das ATIQ Konsortium zielt auf optimierte Hardware für Anwendungen in der Chemie. Neuartige chemische Substanzen und die Reaktionen zu deren Herstellung könnten dann auf Quantencomputern simuliert werden. Ein anderer Anwendungsfall liegt im Finanzwesen, wo völlig neue Wege in der Kreditrisikobewertung beschritten werden. Der Kern des Quantenprozessors in ATIQ basiert auf der Ionenfallen-Technologie, die weltweit als eine der vielversprechendsten Wege zum Quantencomputer angesehen wird. Allerdings sind die derzeitigen Systeme noch komplexe Labormaschinen mit erheblichen Wartungs- und Kalibrierungsaufwand durch hochqualifiziertes Personal. ATIQ adressiert die technischen Herausforderungen, um einem Dauerbetrieb zu bewerkstelligen mit zuverlässigen Rechenoperationen hoher Qualität. Die ATIQ-Partner optimieren in Zusammenarbeit mit Technologie- und Industriepartnern dazu die Ansteuerung der Prozessoren mit elektronischen und optischen Signalen und wollen so eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit erreichen, damit externe Nutzer Rechenalgorithmen selbständig ausführen können. Außerdem verspricht eine solche Optimierung auch die Hochskalierung der Quantendemonstratoren von zunächst 10 auf schließlich mehr als 100 Qubits. Die Stärke des Konsortiums beruht auf dem Wissen als Entwickler der Ionenfallentechnologie und der physikalischen und technischen Grundlagen an den beteiligten Universitäten und Forschungseinrichtungen.

Weitere Partner sind: Leibniz-Universität Hannover, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, TU Braunschweig, RWTH Aachen, Physikalisch-Technische Bundesanstalt und Fraunhofer-Gesellschaft.

Die Unternehmen sind: AMO GmbH, AKKA Industry Consulting GmbH, Black Semiconductor GmbH, eleQtron GmbH, FiberBridge Photonics GmbH, Infineon Technologies AG, JoS QUANTUM GmbH, LPKF Laser & Electronics AG, Parity Quantum Computing Germany GmbH, QUARTIQ GmbH und Qubig GmbH und die TOPTICA Photonics AG.

Assoziierte Partner sind: AQT Germany GmbH, Boehringer Ingelheim, Covestro AG, DLR-SI, Volkswagen AG und QUDORA Technologies GmbH.

Vorreiter in der Quanteninformationsverarbeitung

28.02.2022

Die Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung berichtete im Artikel "Quantentechnologien in NRW" über die aktuellen Forschungsvorhaben an der Universität Siegen, sowie weiteren Forschungsstandorten in ganz NRW. An der Universität Siegen, in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Christof Wunderlich wurde der erste deutsche Quantencomputer im Jahr 2010 in Betrieb genommen. Dieser beruht auf dem MAGIC (Magnetic Gradient Induced Coupling) Prinzip, welches erlaubt kommerzielle Hochfrequenztechnik für die Qubitsteuerung einzusetzen. Außerdem ermöglicht es Operationen an einzelnen Qubits mit bisher unerreichter Güte bei gleichzeitig minimalem Übersprechen sowie hoher Konnektivität zwischen den Qubits.

„Die deterministische Kontrolle einzelner Quantensysteme führt zu einem neuen Paradigma in der Verarbeitung von Information.“ PROF. DR. CHRISTOF WUNDERLICH, UNIVERSITÄT SIEGEN

MAGIC-Quantencomputer für Industrie und Wissenschaft: Startschuss für Forschungsprojekt

17.05.2021

Das vom BMBF geförderte Verbundprojekt MIQRO zwischen der Universität Siegen, der Leibniz Universität Hannover, der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf , der QUARTIQ GmbH sowie der eleQtron GmbH als assoziiertem Partner ist auf 4 Jahre angelegt. Der in diesem Projekt entwickelte und betriebene Quantencomputer wird auf tausend Quantenbits skalierbar sein und damit vielfältigen industriellen und akademischen Anwendungen den Weg bereiten, die jenseits der Möglichkeiten von klassischen Supercomputern liegen. Das MIQRO-Projekt wird einen bahnbrechenden modularen Quantencomputer entwickeln, aufgebaut aus Quanten-Kernen welche gespeicherte atomare Ionen als Quantenbits verwenden. Die in diesen, mit beispielloser Funktionalität ausgestatteten Quanten-Kernen ausgeführten quantenlogischen Operationen werden durch Hochfrequenz(HF)-Wellen kontrolliert. Dies wird durch Magnetic Gradient Induced Coupling, kurz MAGIC, ermöglicht. Das MAGIC-Konzept unterscheidet sich von anderen Ansätzen durch perfekt reproduzierbare Qubits, stark reduzierte Kühlanforderungen und sehr gut integrierbare Hochfrequenzelektronik für die Steuerung der Qubits. Darüber hinaus wird die gleichzeitige Kopplung vieler Qubits in einem Quantenkern, bei gleichzeitig unerreicht kleinem Übersprechen zwischen den Qubits, Quantenalgorithmen beschleunigen. Die MAGIC-Methode wird hier um neue leistungsfähige, mikrostrukturierte Ionenspeicher erweitert. Dies wird Quantengatter hoher Güte und quantenlogische Fehlerkorrektur ermöglichen und so entscheidend zur Skalierung von Quantenrechnern beitragen. Der in diesem Projekt entwickelte und betriebene Quantenkern, stellt das Herzstück eines zukünftigen Ionen-basierten universellen Quantencomputers dar. Dieser Quantencomputer wird auf Tausend Qubits skalierbar sein, und damit vielfältigen, heute noch undenkbaren industriellen und akademischen Anwendungen den Weg bereiten.

 

Aus Quantenregistern bestehender Quantenkern, welcher sich zu Multi-QPU-Systemen für erste industrielle Anwendungen skalieren lässt. © MIQRO/eleQtron GmbH

Innerhalb des Verbundprojekts sollen die Expertisen der beteiligten Verbundpartner optimal zum Einsatz kommen. So wurde an der Universität Siegen die konzeptuelle Grundlage der hier angestrebten Durchführung von quantenlogischen Operationen, MAGIC, entwickelt und demonstriert. Gemeinsam mit dem Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover unter Leitung von Prof. Dr. Christian Ospelkaus sollen nun die Chips spezifiziert und entwickelt werden, die die bewährte MAGIC-Methode um neue leistungsfähige, mikrostrukturierte Ionenspeicher erweitert. Damit werden die innovativen Mikrofabrikationsverfahren und Erfahrungen mit der Herstellung mehrerer Generationen von Ionenfallen der LUH für das Verbundprojekt fruchtbar gemacht. Mit Experten auf dem Gebiet der Vermessung und Rekonstruktion von Quantenzuständen ist die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf mit Prof. Dr. Martin Kliesch als Theoriepartner optimal aufgestellt, die notwendigen Charakterisierungs- und Verifizierungsmethoden zu entwickeln und zu implementieren. Für die elektronischen Kontrollsysteme der Anlagen baut MIQRO auf den führenden Entwicklungen der QUARTIQ GmbH unter Leitung von Dr. Robert Jördens auf, deren Steuersoftwareplattformen ARTIQ und Sinara bereits heute weltweit von Forschungsgruppen zur Steuerung von Quantentechnologien eingesetzt werden und ein breites Anforderungsprofil mit Komponenten industrieller Qualität abdecken.

Leibniz Universität Hannover - Fakultät für Mathematik und Physik - Institut für Quantenoptik, Hannover
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf - Quantum Technology, Düsseldorf
QUARTIQ GmbH, Berlin
eleQtron GmbH
BMBF Quantentechnologien
VDI-TZ Düsseldorf

Quantum Futur Award 2020

13.11.2020

Die Universität Siegen gratuliert Christian Piltz herzlich zur Auszeichnung seiner Dissertation im Rahmen des bundesweit ausgeschriebenen Quantum Future Awards des Bundesministeriums für Bildung und Forschung!

Dissertation:
Maßgeschneiderte Spin-Spin-Kopplung und Quanten-Fouriertransformation mit gespeicherten Yb Ionen in einem Magnetfeldgradienten

Publikationen:
A trapped-ion-based quantum byte with 10⁻⁵ next-neighbour cross-talk
Versatile microwave-driven trapped ion spin system for quantum information processing

Echte zeitliche Korrelationen können die Quantendimension bestimmen

26.05.2020

Zeitliche Korrelationen in der Quantenmechanik sind der Ursprung mehrerer nichtklassischer Phänomene, die aber von der Dimension des zugrunde liegenden Quantensystems abhängen. Dies erlaubt es, solche Korrelationen für die Zertifizierung einer minimalen Hilbert-Raumdimension zu verwenden. Hier bieten wir einen theoretischen Vorschlag und eine experimentelle Implementierung eines geräteunabhängigen Dimensionstests an, bei dem zeitliche Korrelationen verwendet werden, die an einem einzelnen gefangenen ¹⁷¹Yb⁺ Ion beobachtet wurden. Unser Test geht über das "Prepare-and-measurescheme" früherer Ansätze hinaus und demonstriert den Vorteil zeitlicher Korrelationen.

Rechenkunst mit Quantentricks

26.05.2020

Vom 16. bis 21. September 2019 ging es bei den Highlights der Physik in Bonn vor allem darum, wie es der aktuellen physikalischen Forschung gelingt, Unsichtbares sichtbar zu machen. Herzstück des Wissenschaftsfestivals unter dem Motto "Zeig Dich!" war eine Mitmach-Ausstellung auf dem Münsterplatz. An jedem der rund 40 Exponate standen Wissenschaftler aus Bonn und dem gesamten Bundesgebiet für Fragen, Erklärungen und Diskussionen bereit.  Mit unserem Beitrag  Rechenkunst mit Quantentricks  konnten wir allgemeinverständlich die Grundlagen eines auf gespeicherten Ionen basierenden Quantencomputers zeigen. Die Live-Demonstration einer funktionsfähigen Paulfalle, benannt nach dem ehemaligen Bonner Professor Wolfgang Paul, lud zu angeregten Diskussionen rund um das Thema quantencomputing ein. Außerdem gab es Wissenschaftsshows, Live-Experimente, den EinsteinSlam, ein Juniorlabor, Workshops, einen Schülerwettbewerb, zahlreiche Vorträge und jede Menge Wissenschaft zum Anfassen und Ausprobieren.

Entwicklung eines skalierbaren Quantenprozessors

29.10.2018

 

Die Ralisierung eines Quantencomputers erfordert interdisziplinäre Anstrengungen aus dem Bereich der Grundlagenforschung und dem Ingenieurwesen. Darum organisieren wir in Zusammenarbeit mit Dr. Degenhardt vom Forschungszentrum Jülich einen Workshop im Zeitraum vom 23.04.19 bis 26.04.19 im Physikzentrum Bad Honnef.

 

Sobald Quantencomputer, für einen verbreiteten Einsatz verfügbar sind, werden sie die Art und Weise revolutionieren, wie wir neues Wissen erlangen und anwenden können. Die Suche nach einem skalierbaren Quantencomputer wird bisher hauptsächlich von Physikern und Informatikern vorangetrieben. Diese Aufgabe steht vor Herausforderungen, welche notwendigerweise auch engagierte und zielgerichtete Anstrengungen im Ingenieurwesen erfordern. Intensive innovative Forschung und Entwicklung auf den verschiedenen Gebieten der Technik ist entscheidend, um erfolgreich auf dem Weg zu einem Quantencomputer oder Quantensimulator voranzukommen. Dieser wird in der Lage sein, Probleme zu lösen, welche auf klassischen Computern praktisch unlösbar sind. Der Workshop bringt Forscher aus der Grundlagenforschung und dem Ingenieurwesen zusammen, die an vorderster Front des sich schnell entwickelnden Forschungsgebietes tätig sind. Er wird sich auf die Implementierungen des Quantencomputers und der Quantensimulation mit Halbleitern, supraleitenden Strukturen und eingefangenen atomaren Ionen als physikalische Systeme konzentrieren.

• 695. WE-Heraeus-Seminar

Mit Quantentechnologie in die Zukunft

23.07.2018

Für die neue Ausgabe des Kundenmagazins secuview war der Vorstandsvorsitzende des IT-Sicherheitsunternehmens secunet AG, Rainer Baumgart, bei unserer Arbeitsgruppe zu Besuch. Mit Prof. Christof Wunderlich (Siegen) und Prof. Dieter Meschede (Bonn) diskutierte er den aktuellen Stand der Quantentechnologie im Kontext der IT-Sicherheit.
In der Ausgabe 1|2018 des Kundenmagazins "secuview" ist nun ein Beitrag über den Besuch erschienen.

"Quantentechnologie ist derzeit eines der angesagtesten Themen in Wissenschaft und Technik. Vor allem über die Entwicklung von Quantencomputern wird viel diskutiert, und wenn diese neu- artigen Rechner eines Tages sehr leistungsfähig geworden sind, wird die Kryptographie sich wieder einmal neu erfinden müssen. Während Quantencomputer – neben vielen anderen Einsatzmöglichkeiten – heute gängige Kryptoverfahren bedrohen, zielt das Forschungsgebiet der Quantenkommunikation auf neue, hochsichere Verschlüsselungsmethoden ab. Was viele nicht wissen: Spitzenforschung rund um Quantentechnologien findet mitten in Deutschland statt. Mit Professor Dieter Meschede und Professor Christof Wunderlich hat secuview zwei der ein- flussreichsten Wissenschaftler auf diesem Gebiet besucht, die mit ganz unterschiedlicher Zielsetzung Grundlagenforschung betreiben." - secuview 1|2018

• Mit Quantentechnologie in die Zukunft, secuview 1|2018

Untersuchung zum anomalen Aufheizen gespeicherter Ionen

12.01.2018

Ein wesentliches Hindernis auf dem Weg zur weiteren Miniaturisierung von Ionenfallen, wie sie für viele Komponenten ionenfallenbasierter Quanteninformationsverarbeitung wünschenswert wäre, ist anomales Aufheizen der Ionen. Anomales Aufheizen beschreibt eine inkohärente Verstärkung der Ionenbewegung durch Fluktuationen der elektrischen Felder der Fallenelektroden. Die Größe dieser Fluktuationen übersteigt die Erwartungen aufgrund thermischen Rauschens der Elektroden um mehrere Größenordnungen. Als Grund hierfür wird meist eine Kontamination/Oxidation der Fallenoberflächen angenommen, der tatsächliche Mechanismus hinter der stark erhöhten Aufheizung ist jedoch bisher unverstanden - weshalb dieser Heizprozess als anomal bezeichnet wird.
Eine Möglichkeit der Natur dieses Mechanismus näher zu kommen ist die Untersuchung der Heizrate der Ionen in Abhängigkeit ihres Abstandes zu den Fallenelektroden.
Hierzu haben wir eine spezielle planare Ionenfalle angefertigt, bei der die Ionen-Oberflächen Separation eingestellt werden kann und mit dieser erstmals diese Abhängigkeit direkt vermessen. Unsere Messungen ergeben eine gute Übereinstimmung der Relation mit einem Potenzgesetz mit Exponent -4, das durch einige theoretische Erklärungsmodelle vorhergesagt wird.

• Measuring anomalous heating in a planar ion trap with variable ion-surface separation, I. Boldin et al., Physical Review Letters 120 023201 (2018)