DFG fördert Dortmunder Projekt zur Verifikation digitaler Quantensimulationen

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2514 „Quantum Software, Algorithms and Systems“ ein neues Forschungsprojekt der Technischen Universität Dortmund. Unter dem Titel „Scaling Verification of Digital Quantum Simulation“ untersucht ein interdisziplinäres Team, wie sich die Korrektheit komplexer Quantensimulationen effizient prüfen lässt. Das Projekt vereint Expertise aus Physik und Informatik und wird geleitet von Jun.-Prof. Dr. Benedikt Fauseweh (Fakultät Physik), Jun.-Prof. Dr. Ben Hermann und Prof. Dr. Falk Howar (beide Fakultät Informatik).

Digitale Quantensimulationen als Schlüsseltechnologie der Zukunft

Quantentechnologien gehören zu den zentralen Zukunftsfeldern moderner Forschung. Insbesondere digitale Quantensimulationen versprechen, die Modellierung komplexer Systeme aus Physik, Chemie oder Materialwissenschaft entscheidend zu verbessern. Dabei werden quantenmechanische Prozesse auf Quantencomputern nachgebildet, um beispielsweise die Eigenschaften neuer Materialien oder die Physik von Quantenteilchen präzise zu verstehen.

Doch je größer und komplexer die zugrunde liegenden Quantenschaltkreise werden, desto schwieriger ist es, solche Simulationen zuverlässig zu verifizieren. Herkömmliche Methoden der Softwareverifikation stoßen dabei schnell an ihre Grenzen – vor allem, wenn komplexe Phänomene wie beispielsweise Verschränkung ins Spiel kommen. Hier setzt das Dortmunder Projekt an.

Ziel: Vertrauen in die Ergebnisse von Quantencomputern schaffen

Das Forschungsteam der TU Dortmund entwickelt neuartige Ansätze, um die Skalierbarkeit und Verlässlichkeit der Verifikation digitaler Quantensimulationen zu verbessern. Dabei sollen formale Methoden der Informatik – etwa aus der Programmanalyse und Modellprüfung – mit Konzepten aus der theoretischen Physik - wie der Verschränkungsentropie - kombiniert werden.

„Unser Ziel ist es, ein methodisches Fundament zu schaffen, das es erlaubt, die Korrektheit von Quantensimulationen automatisiert und nachvollziehbar zu prüfen“, erklärt Jun.-Prof. Dr. Ben Hermann. Dies sei ein entscheidender Schritt, um Vertrauen in zukünftige Quantenanwendungen zu schaffen – sowohl in der Grundlagenforschung als auch in industriellen Kontexten.

Auch Jun.-Prof. Dr. Benedikt Fauseweh betont die Relevanz der interdisziplinären Zusammenarbeit: „Quantensimulationen eröffnen neue Perspektiven in der Physik. Durch die Kooperation mit der Informatik lassen sich die zugrunde liegenden Rechenprozesse kontrollierbar und überprüfbar gestalten.“

Prof. Dr. Falk Howar ergänzt: „Wir verfügen über langjährige Erfahrung in der formalen Softwareverifikation. Diese Expertise bringen wir nun in die Welt der Quanteninformatik ein – ein Forschungsfeld, das in den kommenden Jahren stark an Bedeutung gewinnen wird.“

Bedeutung für den Wissenschaftsstandort Dortmund

Mit der Bewilligung dieses Projekts festigt die Technische Universität Dortmund ihre Position als ein führendes Zentrum für interdisziplinäre Forschung an der Schnittstelle von Physik und Informatik. Das Vorhaben knüpft an bestehende Aktivitäten im Bereich Quantencomputing, formale Methoden und Softwarequalität an und stärkt die Sichtbarkeit der Universität im wachsenden Feld der Quantum Software Engineering.

Darüber hinaus bietet das Projekt mit seiner Position im Schwerpunktprogramm hervorragende Qualifikationsmöglichkeiten für Nachwuchswissenschaftlerinnen und - wissenschaftler. Es schafft Raum für innovative Forschung, fördert methodische Ausbildung und trägt zur internationalen Vernetzung im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms bei.

Hintergrund: DFG-Schwerpunktprogramm 2514 „Quantum Software, Algorithms and Systems“

Das DFG-Schwerpunktprogramm 2514 unterstützt Forschungsprojekte, die sich mit den theoretischen und methodischen Grundlagen von Quantencomputern befassen. Ziel ist es, die Entwicklung einer vertrauenswürdigen Software- und Systemebene für Quantenhardware voranzutreiben – von neuen Programmierparadigmen über Algorithmen bis hin zu Werkzeugen für Analyse und Verifikation.

Das Dortmunder Projekt Scaling Verification of Digital Quantum Simulation leistet hierzu einen wichtigen Beitrag, indem es Verfahren entwickelt, mit denen Quantenprogramme nicht nur effizient, sondern auch nachweisbar korrekt ausgeführt werden können.

Ansprechpersonen für Rückfragen

• Jun.-Prof. Dr. Benedikt Fauseweh – Fakultät Physik, TU Dortmund
• Jun.-Prof. Dr. Ben Hermann – Fakultät Informatik, TU Dortmund
• Prof. Dr. Falk Howar – Fakultät Informatik, TU Dortmund