HoliQC2

Eine der zentralen Anwendungen der Quantenalgorithmik ist nach wie vor die Simulation der Natur selbst. Aus wissenschaftlicher und industrieller Sicht ist hierbei das Elektronenstrukturproblem aus der Quantenchemie eines der interessantesten Anwendungsgebiete. Die Suche nach einem elektronischen Grundzustand gilt als schwierige Aufgabe, und es wird nicht erwartet, dass effiziente (klassische und Quanten‐) Algorithmen für allgemeine Fälle des Problems existieren. Heuristiken sind daher für die Entwicklung anwendbarer Berechnungsmethoden unerlässlich. Darüber hinaus erfordert die erfolgreiche Berechnung molekularer Eigenschaften mehrere Berechnungen, beginnend mit der Diskretisierung des ursprünglichen Problems und endend mit der Auswertung von Erwartungswerten auf bestimmten Approximationen der diskretisierten Eigenzustände. Obwohl die Quantenchemie eines der bekanntesten und am intensivsten erforschten Bereiche der angewandten Quanteninformatik ist, gibt es bis heute keine zuverlässig anwendbaren Verfahren.

Um zu skalierbaren und anwendbaren Ansätzen zu gelangen, müssen drei wichtige algorithmische Probleme angegangen werden: Reduktion der nötigen Messungen, Reduktion der benötigten Qubits und die zielgerichtete Konstruktion geeigneter Quantenschaltkreise. Genaue Lösungen für das Problem der elektronischen Struktur erfordern ganzheitliche Ansätze, die alle diese Einzelaspekte berücksichtigen. Das Hauptziel dieses Einzelvorhabens ist die Entwicklung eines umfassenden, ganzheitlichen hybrid‐quantum‐klassischen algorithmischen Grundgerüsts, das speziell auf quantenchemische Anwendungen zugeschnitten ist. Berechnungsprozesse sollen vereinheitlicht und optimiert werden und letztlich genauere und effizientere Simulationen chemischer Systeme auf Quantenebene ermöglichen.

Das Projekt HoliQC2 ist im Grenzbereich zwischen Physik, Chemie und Informatik verankert. Konkret werden Verfahren aus den wissenschaftlichen Bereichen der Quantenalgorithmik, Quantenchemie, der numerischen Simulation sowie die Entwicklung wissenschaftlicher Software zusammengeführt. Das Ziel ist die Entwicklung anwendbarer Verfahren zur Berechnung chemischer Systeme auf Quantencomputern. Hierbei wird auch Grundlage für weitere Arbeiten in der Grundlagenforschung als auch in zukünftigen Industriekooperationen geschaffen.