PARTICLE PHYSICS

Im Zuge der „Förderinitiative Quantencomputing“ der Hamburgischen Investitions- und Förderbank (IFB Hamburg) konnte sich das Konsortium bestehend aus ParityQC, DESY, eleQtron und der DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) für eine Förderung qualifizieren. In dem Projekt HQML (Hamburg Full Stack Quantum Machine Learning) arbeiten die Firmen und DESY mit der DLR QCI zusammen, um eine sogenannte Full-Stack-Quantum-Lösung für die Bilddatenverarbeitung zu entwickeln. Das bedeutet: Vom konkreten Anwendungsfall über die Entwicklung der benötigten neuartigen Algorithmen deckt das Konsortium die ganze Kette der Innovation ab. In Hamburg ist das bislang einzigartig, deutschland- und weltweit eines der ersten Projekte dieser Art. Die Projektförderung startet am 25. Januar 2025 und läuft bis zum 30. Juni 2027.

Die neue Technologie verspricht, umfangreiche Bilddaten erheblich schneller generieren und verarbeiten zu können als mit herkömmlichen Computern. Der konkrete Anwendungsfall sind die Unmengen an Daten, die bei heutigen Experimenten am Large Hadron Collider (LHC) des CERN in Genf anfallen. In dieser größten und stärksten Teilchenbeschleunigeranlage der Welt lassen Physikerinnen und Physiker Protonen mit Lichtgeschwindigkeit kollidieren, um mit äußerst hochauflösender Sensorik die Zerfallsprozesse und -produkte zu studieren und so noch offene Fragen unseres physikalischen Weltbildes zu erforschen und zu beantworten. Schon heute gerät dabei die Bilddatenverarbeitung mit herkömmlichen Computern an ihre Grenzen. Spätestens für das LHC-Upgrade 2032 müssen alternative Berechnungsmethoden gefunden werden.

Quantencomputer können Abhilfe schaffen, weil sie anders als herkömmliche Rechner nicht nur schnell, sondern auch mehrere Zustände gleichzeitig berechnen können. So auch bei der Analyse von Bilddaten. Mittels Künstlicher Intelligenz lassen sich dabei sehr schnell Muster erkennen. Noch viel schneller jedoch soll dies mittels Quanten Machine Learning (QML) funktionieren. Dazu braucht es allerdings nicht nur die passende Quantencomputer Hardware, sondern vor allem auch die passenden Algorithmen. Die Entwicklung sowohl neuer Quanten-Hardware als auch neuer Quanten-Algorithmen ist Ziel dieses gemeinsamen Projekts.
Kerstin Borras, Leitende Wissenschaftlerin bei DESY, betont, dass die Ergebnisse aber nicht nur der Teilchenphysik zugutekommen werden: „Anwendbar wäre die neue Technologie auch etwa in der modernen medizinischen Diagnostik, der Umweltanalytik und sogar bei der Modellierung von Aktienbewegungen in der Wirtschaft. Überall dort, wo große Mengen an Bilddaten möglichst schnell verwertet werden müssen.“


Für das Projekt HQML bringen die beteiligten Partner ihre jeweiligen Stärken ein: Das international tätige Unternehmen für digitale und analoge Quantencomputer-Architekturen ParityQC übernimmt die Führung des Konsortiums. Über Hardware/Software-Co-Design optimiert und entwickelt ParityQC die QML-Algorithmen für den QSea I-Quantencomputer der DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) und bildet damit die entscheidende Schnittstelle im Quantencomputing-Stack des Projekts Durch innovatives Quantenalgorithmen-Design mithilfe der ParityQC Architektur werden die QML-Ansätze verbessert und anschließend optimal für die QSea I-Hardware kompiliert. Es bringt dabei all seine Erfahrung in der Entwicklung von entsprechender Hard- und Software ein.

DESY stellt für das Projekt die Basis-Algorithmen aus der Forschung an den eigenen Bildern von dem Teilchenbeschleuniger zur Verfügung und hat als IBM Quantum Hub direkten Zugang zu den Quantencomputern der Firma IBM, auf denen die QML-Algorithmen getestet wurden und die dadurch im Projekt zum Vergleich mit der neuen Hardware dienen.
Die DLR Quantencomputing-Initiative bringt an ihren Innovationszentren Forschung, Startups und Industrie zusammen, um gemeinsam Quantencomputer und vielversprechende Anwendungsfälle zu entwickeln. Am Innovationszentrum der DLR QCI in Hamburg entwickelt das Konsortium eleQtron, NXP und ParityQC im Auftrag der DLR QCI zwei Quantencomputer QSea I und QSea II, wobei QSea I früher fertiggestellt wird. Im Rahmen von HQML stellt die DLR QCI Rechenzeit auf ihrem Quantencomputer QSea I zur Verfügung. Der Quantencomputer basiert auf Ionen-Fallen: Die Ionen werden mithilfe von elektrischen Feldern eingefangen und durch Mikrowellen sowie Laserstrahlen kontrolliert, um als Speichereinheit bzw. Qubit zu dienen. Zusätzlich zur Betriebszeit arbeitet die DLR QCI auch am Benchmarking der neuen Hardware.
Das Start-up eleQtron GmbH schließlich, ein Spin-off des Siegener Lehrstuhls für experimentelle Quantenoptik, der den ersten deutschen Quantencomputer überhaupt betreibt, verfügt über diverse Patente zur besonders präzisen Steuerung neuartiger Ionenprozessoren per Radiowellen und ist Marktführer in diesem Bereich.

„Wir freuen uns, mit diesem Projekt zu den ersten in der Quantencomputing-Szene zu gehören, die Grundlagenforschung, angewandte Forschung und Industrie zusammenbringen, um gemeinsam die große Herausforderung von Big Data anzugehen“, sagt Arik Willner, Chief Technology Officer bei DESY. „Mit unserer gebündelten Kompetenz können wir so auch Hamburg und bzw. Deutschland als führenden Standort der Szene etablieren.“