Quantencomputer nutzen die Gesetze der Quantenmechanik. Sie versprechen dadurch Rechenleistung weit jenseits klassisch konstruierter Computer. Beim „Quantencomputing“ geht es aber nicht allein darum, die Rechenleistung zu steigern: Diese Geräte können über ihre deutlich anderen Funktionsprinzipien bestimmte Probleme überhaupt erst angehen. Sie sollen beispielsweise in der Materialforschung, Wirkstoffentwicklung oder künstlichen Intelligenz eingesetzt werden und helfen, Probleme zu lösen, die mit herkömmlichen Computern nicht zugänglich sind.
Wichtige Aspekte sind dabei Quantennetzwerke (Datennetze, die die Gesetze der Quantenmechanik nutzen) und die Quantenkommunikation. Diese erlauben eine erheblich schnellere und vor allem inhärent sichere Kommunikation.
Der Exzellenzcluster ML4Q befasst sich mit grundlegenden physikalischen und technologischen Herausforderungen auf dem Weg zu skalierbarem und zuverlässigem Quantencomputing – von der Entwicklung hochleistungsfähiger Qubits über modulare Architekturen bis hin zur Schnittstelle zwischen Quantenhardware und -software. Neben der Sprecheruniversität Köln (Sprecher: Prof. Dr. Alex Altland) tragen die RWTH Aachen, die Universität Bonn und das Forschungszentrum Jülich den Cluster. Die HHU und die Ruhr-Universität Bochum sind weitere Partnerinstitutionen.
Zwei Teilprojekte werden in Düsseldorf bearbeitet. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dagmar Bruß am Institut für Theoretische Physik III will unter dem Titel „Ressourcen für Quantenalgorithmen" erforschen, welche Rolle quantenphysikalischen Eigenschaften wie Kohärenz, Reinheit, Verschränkung und die sogenannte „Quanten-Magie" (ein quantitatives Maß für die Nicht-Klassizität eines Zustandes) spielen, um einen Quantenvorteil zu erzielen. Die gewonnenen Erkenntnisse beeinflussen die konkrete Entwicklung der Quanten-Hardware und werden möglicherweise zu Hardware-spezifischen Quantenalgorithmen führen.
Prof. Dr. Reinhold Egger (Institut für Theoretische Physik IV) wird „Neue Plattformen für Majorana-Qubits“ untersuchen. Derartige Qubits basieren auf sogenannten Majorana-Zuständen, bei denen Quanteninformation in räumlich getrennten Gebieten robust kodiert wird. Konkret soll untersucht werden, wie zusammengesetzte Strukturen von topologischen Isolatoren und konventionellen Supraleitern als Bauteile für neuartige Quantencomputer genutzt werden können. Majorana-Zustände werden dabei in sogenannten chiralen Randkanälen realisiert, bei denen sich Teilchen nur entlang einer Richtung bewegen können. Dadurch werden die Majorana-Zustände effektiv gegen Unordnungseffekte geschützt.
Die zweite, siebenjährige Förderperiode von ML4Q beginnt 2026. Weitere Informationen zum Exzellenzcluster ML4Q finden Sie hier.