5 Februar 2025

Philipp Preiss erhält ERC Proof of Concept Grant

Das Projekt FermiChem untersucht ultrakalte Fermionen in Quantensimulationen, um komplexe Probleme in der Quantenchemie zu lösen.

, MCQST Mitglied und unabhängiger Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, hat einen Proof of Concept (PoC) Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) eingeworben. Diese Fördermittel wollen die Brücke schlagen zwischen Grundlagenforschung und praktischen Anwendungen, um neue wissenschaftliche Erkenntnisse in einen gesellschaftlichen oder wirtschaftlichen Nutzen zu überführen. Mit dem Projekt FermiChem werden Preiss und sein Team weiter erforschen, wie sich Quantensimulatoren auf Basis ultrakalter Fermionen zur Lösung komplexer Probleme in der Quantenchemie einsetzen lassen. Langfristig soll es aber auch darum gehen, die Möglichkeiten fermionischer Quanteninformationsverarbeitung ganz allgemein zu verbessern und gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie praxisnahe Anwendungsfälle ausloten – und zwar noch bevor fehlertolerante Quantencomputer Wirklichkeit werden.

Die Grundzustände von Systemen mit vielen wechselwirkenden Fermionen zu bestimmen, gehört zu den schwierigsten Herausforderungen der Quanteninformationswissenschaft. Eine Lösung dieses Problems verspricht aber enorme Fortschritte für die Materialwissenschaft und Quantenchemie, da damit komplexe molekulare Strukturen besser verstanden und Reaktionswege vorhergesagt werden können. So ließen sich beispielsweise neue Katalysatoren oder energieeffizientere Batterien entwickeln.

Ultrakalte Fermionen in optischen Gittern sind eine vielversprechende experimentelle Methode, um Systeme mit vielen wechselwirkenden Elektronen zu simulieren. Anders als Qubit-basierte Systeme, wie gefangene Ionen oder supraleitende Schaltkreise, befolgen fermionische Quantengase von Natur aus die Austausch-Symmetrien und Erhaltungssätze fermionischer Teilchen. Sie sind daher besonders für die Simulation molekularer Wellenfunktionen geeignet, welche für die genaue Vorhersage chemischer und physikalischer Eigenschaften verschiedener Materialien gebraucht werden.

Welche genauen Nutzen ultrakalte Fermionen in der Quantenchemie entfalten können, untersuchten Philipp Preiss und sein Team zusammen mit dem Chemieunternehmen Covestro in dem kürzlich abgeschlossenen BMBF-Projekts HFAK. Sie passten bestehende quantenchemische Methoden, die normalerweise auf Spin-basierten Quantencomputern genutzt werden, an optische Gitter an. Dabei stellten sie fest, dass optische Supergitter – die entstehen, wenn mehrere optische Gitter mit unterschiedlichen Wellenlängen und Intensitäten überlagert werden – und optische Pinzetten die für die Berechnungen benötigten Schaltkreise auf natürliche Weise umsetzen können. Die Ergebnisse wurden letzte Woche im Journal PRX Quantum veröffentlicht.

„Aktuell entwickeln mehrere MPQ-Projekte bereits die Hardware für die fermionische Quantensimulation: Mit dem vom BMBF finanzierten Projekt FermiQP und dem ERC-Projekt UniRand werden wir die Datenrate und Präzision erreichen, die für erste Demonstrationen fermionischer Berechnungen erforderlich sind“, sagt Preiss. Wichtige Meilensteine seien nun die schnelle, parallele Vorbereitung fermionischer Zustände, die Spin-aufgelöste Detektion sowie aktuell laufende Arbeiten an hochgenauen fermionischen Gattern.

Der Weg in ein neues Quantencomputing-Paradigma?

Das neue Projekt FermiChem soll nun die Umsetzung dieser Ideen in praxisnahe Anwendungen der Quantenchemie beschleunigen und sich auf drei zentrale Ziele konzentrieren: Erstens will das Team fermionische Quantenschaltungen entwickeln, die Korrelationsfunktionen messen können, die besonders für die Physik der kondensierten Materie relevant sind. Zweitens werden die Forschenden Softwaretools entwickeln, um den UniRand-Quantensimulator mit hochentwickelten Programmiersprachen zu verbinden und so die Ausführung fermionischer Schaltungen auf der experimentellen Hardware zu ermöglichen. Als drittes Ziel steht der Test einer neuen Pinzetten-Architektur, die die Bewegungskohärenz in ultrakalten Atomsystemen verbessern soll – das könnte die Rechenleistung entscheidend steigern.

„Derzeit lassen sich unsere Methoden mit fermionischen Quantensimulatoren nur auf kleine Testmoleküle anwenden, aber wir sehen großes Potenzial für ein alternatives Quantencomputing-Paradigma im Vergleich zu Spin-basierten Quantencomputern“, erklärt Philipp Preiss. „Der Proof of Concept Grant ermöglicht es uns, unsere Hardware weiterzuentwickeln und – was besonders wichtig ist – neue Partnerschaften mit Wissenschaft und Industrie zu schließen, um herauszufinden, wo fermionische Quantenprozessoren einen echten Unterschied machen können“, ergänzt er.

Die ERC Proof of Concept Grants – jeweils dotiert mit 150.000 Euro – unterstützen erfolgreiche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dabei, das Innovations- und Marktpotenzial ihrer Entdeckungen auszuloten. Dazu gehören unter anderem die Entwicklung von Prototypen, Marktanalysen und das Management geistigen Eigentums, um wissenschaftliche Durchbrüche näher an die praktische Anwendung zu bringen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf der Website des MPQ veröffentlicht.

Publication

Simulating Chemistry with Fermionic Optical Superlattices
Gkritsis, F., Dux, D., Zhang, J., Jain, N., Gogolin, C. and Preiss, P. M.
PRX Quantum 6 (1), 010318 (2025)
DOI: 10.1103/PRXQuantum.6.010318