In Quantencomputern wird Information in Quantenbits gespeichert und verarbeitet. Quantenbits können, im Gegensatz zu klassischen Bits, gleichzeitig die Werte 0 und 1 annehmen. Diese Gleichzeitigkeit, die sogenannte Quantenparallelität, ist ein wesentliches Merkmal von Quantencomputern und ermöglicht ihnen die effiziente Lösung von komplexen Problemen, welche aufgrund ihrer Skalierung auch für die besten Bit‐basierten Supercomputer praktisch unlösbar bleiben werden. Tatsächlich wurde die Lösung solcher Probleme bereits in existierenden Quantencomputern demonstriert. Diese sind jedoch für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen noch nicht ausreichend leistungsfähig. Das MIQRO‐Projekt wird einen modularen Quantencomputer entwickeln, aufgebaut aus „Quanten‐Kernen“, welche gespeicherte atomare Ionen als Quantenbits verwenden. Die in diesen mit hoher Funktionalität ausgestatteten Quanten‐Kernen ausgeführten quantenlogischen Operationen werden durch Hochfrequenz (HF)‐Wellen kontrolliert. Dies wird durch Magnetic Gradient Induced Coupling, kurz MAGIC, ermöglicht. Das MAGIC-Konzept unterscheidet sich von anderen Ansätzen durch perfekt reproduzierbare Qubits, stark reduzierte Kühlanforderungen und sehr gut integrierbare Hochfrequenzelektronik für die Steuerung der Qubits. Darüber hinaus wird die gleichzeitige Kopplung vieler Qubits in einem Quantenkern bei gleichzeitig unerreicht kleinem Übersprechen (fehlerhafte Veränderung nicht‐adressierter Qubits) zwischen den Qubits, Quantenalgorithmen beschleunigen. Die MAGIC‐Methode wird hier um neue leistungsfähige, mikrostrukturierte Ionenspeicher erweitert. Dies wird Quantengatter hoher Güte und quantenlogische Fehlerkorrektur ermöglichen und so entscheidend zur Skalierung von Quantenrechnern beitragen. Der in diesem Projekt entwickelte und betriebene Quantenkern stellt das Herzstück eines zukünftigen Ionen‐basierten, universellen Quantencomputers dar. Dieser Quantencomputer wird auf Tausend Qubits skalierbar sein und damit vielfältigen industriellen und akademischen Anwendungen den Weg bereiten.

Quantum sciences are currently enjoying a large amount of attention including heavy research investments by governments as well as commercial companies. A central promise is that classical computations will be outperformed by using quantum resources. This has potential applications in numerous fields such as in quantum chemistry, optimization, and artificial intelligence. An important milestone for achieving such ambitious aims is the demonstration of quantum supremacy: this means to solve some problem by using quantum capabilities that cannot practically be solved otherwise. It is to be expected that quantum supremacy will be announced in the near future. However, what would it actually tell us? A convincing demonstration of quantum supremacy would show that quantum computers have reached a level where they might actually become useful. But, if a quantum device cannot practically be simulated how can one make sure that its outcome is correct? In particular, how can a skeptic be convinced of quantum supremacy? Many of the proposed quantum supremacy demonstrations –specifically quantum sampling experiments– have the caveat that there is no convincing practical test of whether or not they have been correctly solved. Two tasks are utterly important for the development of trusted quantum devices: (i) the verification of their functioning as a whole and (ii) the precise characterization of their single components; the latter being crucial for their development itself. There is a range of methods targeted at these two and also intermediate tasks. This includes quantum state verification, quantum process validation (such as randomized benchmarking), certain classical simulation techniques and quantum tomography. However, experimentally practical methods that also feature precise theoretical performance guarantees are still rare. Now is the right time to close this gap. On the one hand, there are new powerful mathematical techniques and results. They range from vector and operator concentration inequalities, over tensor reconstruction, non-convex optimization, and new developments in machine learning to new precisely controlled sampling methods in quantum information theory. On the other hand, the precisely controlled quantum systems have become so large that new efficient data processing techniques are required. The proposed Emmy-Noether group will open the investigation of worst-case errors in the verification of quantum dynamics, provide practical quantum process tomography schemes with theoretical guarantees, provide the first systematic investigation of the role of temporal noise correlations in quantum processes, and investigate the role of noise for the complexity of classical simulations of complex quantum systems. This project aims at the development of methods that are practical and mathematically rigorous at the same time, as desirable in the regime of high complexity.