Beschreibung der Beschaffung
1. Konzeptpapier im Sinne eines Research Proposals im Bereich materialwissenschaftliche Quantensimulation
Unter „Quantensimulation“ ist hier die direkte Simulation von Materialeigenschaften oder der Materialdynamik mit Hilfe von Quantencomputern zu verstehen. Explizit nicht erwünscht sind dabei Probleme, die sich abstrakt als kombinatorisches Optimierungsproblem darstellen lassen und die Aufgabe des Quantencomputers lediglich darin bestehen würde, dieses kombinatorische Optimierungsproblem zu lösen.
Zunächst soll je Konzept eine eindeutig definierte Problemstellung einer innerhalb des Themenkomplexes „Quantensensorik“ frei wählbaren Anwendung beschrieben werden. mit der Begründung, warum gerade dieses Problem relevant ist und geeignet erscheint, mit den Methoden der Quantensimulation einen Quantenvorteil zu erhalten. Das Konzeptpapier umfasst neben der Darstellung der Anwendung auch deren Übersetzung auf einen Quantencomputer (Hamiltonian-basiert). Konkrete Problemstellungen, die der Bieter dabei liefert, sind zum Beispiel Unstimmigkeiten in Phasendiagrammen von Materialien und Werkstoffen, Probleme in der Bestimmung von magnetischen Grundzuständen oder fehlerhafte Berechnung von Transporteigenschaften in elektrischen Leitern. D.h. insbesondere müssen die physikalischen Freiheitsgrade durch diskrete oder kontinuierliche Zustände in einem physikalischen Hilbertraum beschrieben werden (z.B. Besetzungszahlen elektronischer Orbitale, Spin S=1/2 Konfigurationen oder kontinuierliche Feldoperatoren). Insbesondere sollen die klassischen Verfahren nach Stand der Technik geliefert werden, die typischerweise genutzt werden um die skizzierte Problemstellung auf herkömmlichen (Super-) Computern zu lösen. Dies umfasst je nach Anwendung beispielsweise die Dichtefunktionaltheorie (DFT) oder die Quanten Monte-Carlo Simulation. Die klassischen Methoden sollen hinsichtlich ihrer Performanz und Eignung auf die Problemstellung beschrieben werden und es soll aufgezeigt werden, worin deren Limitierung zur Lösung der gewählten Problemstellung besteht. Darüber hinaus sollen aussichtsreiche Ansätze diskutiert werden, wie die Problemstellung auf Quanten-Computern mit wenigen Qubits perspektivisch gelöst werden kann und ob ein Quanten-Vorteil zu erwarten ist (mit substanzieller Begründung) vor dem Hintergrund des Performanz-Vergleichs zwischen klassischem High-Performance-Computing und Quanten-Computing-der NISQ-Ära.
Um eine Lösbarkeit auf in naher Zukunft verfügbarer Quantenhardware zu gewährleisten, müssen die Probleme auf ein möglichst kleines Minimalsystem abbildbar sein, das höchstens 20 Qubits umfasst. Optional kann ein Problem auch durch mehr Qubits beschrieben werden, sollte ein alternativer numerischer Zugang möglich sein, wie z.B. eine Beschreibung durch Matrixproduktzustände. Mit berücksichtigt werden soll jedoch auch eine Skalierbarkeit auf Systeme mit wachsender Anzahl von Qubits. Abschließend sollen eine kurze Darstellung und Bewertung des industriellen Impacts im Sinne einer industriellen Verwertbarkeit erfolgen.
Weitere Anforderungen zum Konzept:
• Die Konzepteinreichung erfolgt inklusive genauer Modellbeschreibung (Hamiltonian-basiert), Abbildung auf Qubits, physikalischem Hintergrund und offenen Fragestellungen zum Beispiel im Hinblick auf das Verständnis von Materialeigenschaften oder Anwendung des Modells.
• Die klassischen Berechnungsverfahren sollen unter Angabe von Output und Ressourcen wie GPU, CPU, Rechenzeit und Speicher beschrieben werden. Die Algorithmen müssen für kleine Systemgrößen innerhalb von einer Woche auf einer handelsüblichen Workstation terminieren und eine Lösung liefern.
• Das Konzept soll die urheberrechtliche und IP-rechtliche Handhabung des Quellcodes der klassischen Methoden beinhalten, wobei nach Möglichkeit Closed Source vorrangig gegenüben Open Source Anwendung finden soll.
Weitere Leistungen sind:
2. Mitarbeit im Projekt
3. Schulungsleistungen
4. Teilnahme an Konferenzen, Messen
Eine ausführliche Leistungsbeschreibung ist den Vergabeunterlagen sowie der Leistungsbeschreibung Anlage 02 der Vergabeunterlagen zu entnehmen.