Quantencomputer: Gewissheit aus dem Zufall ziehen
Quantencomputer (hier ein Experiment am Technology Innovation Institute in Abu Dhabi) arbeiten bei sehr niedrigen Temperaturen, um Rauschen und unerwünschte Störungen zu minimieren. Mit einem neu entwickelten mathematischen Werkzeug ist es nun möglich, die Leistung eines Quantencomputers durch zufällige Testdaten zu bewerten und mögliche Fehler zu diagnostizieren.
Quantencomputer werden mit zunehmender Größe und Komplexität undurchschaubar. Mit Methoden der mathematischen Physik ist es nun einem Team gelungen, aus zufälligen Datensequenzen konkrete Zahlen abzuleiten, die als Maßstab für die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputersystems dienen können. An der Arbeit mit Quantencomputer, die nun in Nature communications veröffentlicht ist, waren Experten des Helmholtz-Zentrum Berlin, der Freien Universität Berlin, des Qusoft Forschungszentrum Amsterdam, der Universität Kopenhagen sowie des Technology Innovation Institute Abu Dhabi beteiligt.
Mit Quantencomputern lassen sich insbesondere Quantensysteme deutlich effizienter berechnen und zum Beispiel Probleme in der Materialforschung lösen. Je größer und komplexer jedoch Quantencomputer werden, desto weniger lassen sich die Prozesse durchschauen, die zum Ergebnis führen. Um solche Quantenoperationen zu charakterisieren und die Fähigkeiten von Quantencomputern mit der klassischen Rechenleistung bei denselben Aufgaben fair zu vergleichen, werden daher passende Werkzeuge gebraucht. Ein solches Werkzeug mit überraschenden Talenten hat nun ein Team um Prof. Jens Eisert und Ingo Roth entwickelt.
Benchmarking von Quantencomputern
Roth, der aktuell am Technology Innovation Institute in Abu Dhabi eine Gruppe aufbaut, erläutert: „Aus den Ergebnissen zufällig gewählter Experimente können wir mit mathematischen Methoden nun viele verschiedene Zahlen extrahieren, die zeigen, wie nah die Operationen im statistischen Mittel an den gewünschten Operationen sind. Damit kann man aus den gleichen Daten viel mehr lernen als zuvor. Und zwar – das ist das Entscheidende – wächst die benötigte Datenmenge nicht linear sondern nur logarithmisch.“ Dies konnte das Team sogar mathematisch beweisen. Konkret bedeutet das: Um hundertmal so viel zu lernen, werden nur doppelt so viel Daten gebraucht. Eine enorme Verbesserung.
Eisert, der eine gemeinsame Forschungsgruppe zu theoretischer Physik am Helmholtz-Zentrum Berlin und der Freien Universität Berlin leitet, sagt: „Es geht hier um das Benchmarking von Quantencomputern. Wir haben gezeigt, wie man mit randomisierten Daten solche Systeme kalibrieren kann. Das ist eine sehr wichtige Arbeit für die Entwicklung von Quantencomputern.“
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.