DMZ – WISSENSCHAFT ¦ MM ¦ AA ¦ 
Villigen – Ein bedeutender Durchbruch in der Quantenforschung könnte schon bald komplexe physikalische Prozesse mit nie dagewesener Präzision berechenbar machen. Physikerinnen und Physiker von Google und Forschende aus fünf Ländern, darunter zwei Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts (PSI), haben einen neuartigen digital-analogen Quantensimulator entwickelt. Ihre Erkenntnisse, die nun im Fachmagazin Nature veröffentlicht wurden, eröffnen völlig neue Perspektiven für die Materialforschung, Quantenmechanik und sogar die Astrophysik.
Ein Meilenstein in der Quantenforschung
Der neue Quantensimulator kombiniert digitale und analoge Ansätze, um physikalische Prozesse realistischer und flexibler nachzubilden. Während herkömmliche digitale Quantencomputer auf universelle Quantengatter setzen, ermöglichen analoge Simulatoren eine direkte Nachbildung quantenmechanischer Wechselwirkungen. Die Kombination beider Verfahren eröffnet bisher unerreichte Möglichkeiten zur Simulation komplexer Phänomene.
„Unser System erlaubt es, physikalische Vorgänge wie die Wärmeausbreitung oder magnetische Wechselwirkungen mit hoher Genauigkeit zu untersuchen“, erklärt Andreas Elben, Wissenschaftler am PSI. Gemeinsam mit seinem Kollegen Andreas Läuchli hat er die theoretischen Grundlagen für diesen bahnbrechenden Ansatz gelegt.
Die Technik hinter dem Quantensimulator
Herzstück des Quantensimulators ist ein von Google entwickelter Chip mit 69 supraleitenden Qubits. Diese ermöglichen es, physikalische Systeme nicht nur in klar definierten Ausgangszuständen zu starten, sondern auch ihre Entwicklung über die Zeit nachzuverfolgen. So können Forschende beispielsweise simulieren, wie sich magnetische Strukturen in einem Material verändern oder wie sich Wärme in einem Festkörper verteilt.
„Wir können den Simulator beobachten, während er ins thermische Gleichgewicht übergeht – ähnlich wie Milch, die sich in einer Tasse Kaffee verteilt“, erläutert Läuchli. Solche Simulationen sind für viele Forschungsbereiche essenziell, da klassische Supercomputer oft an der Komplexität solcher Berechnungen scheitern.
Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Disziplinen
Die Möglichkeiten des neuen Quantensimulators reichen weit über die Grundlagenforschung hinaus. Ein zentrales Anwendungsgebiet ist die Materialwissenschaft, insbesondere die Erforschung von Hochtemperatur-Supraleitern. Auch in der Medizin könnten Quantenberechnungen künftig helfen, molekulare Wechselwirkungen besser zu verstehen und gezieltere Medikamente zu entwickeln.
Ein besonders spannendes Forschungsfeld ist die Astrophysik. So könnte der Simulator helfen, das sogenannte Informationsparadoxon schwarzer Löcher zu entschlüsseln. Diese besagen, dass Informationen in der Quantenphysik nicht verloren gehen dürfen – ein Widerspruch zu gängigen Theorien über schwarze Löcher. Hier könnten Quantensimulationen künftig neue Einblicke liefern.
Zukunftsperspektiven
Das aktuelle Projekt mit Google ist abgeschlossen, doch für das Team am PSI geht die Forschung weiter. „Wir entwickeln derzeit neue Experimente und untersuchen weitere Anwendungsbereiche des Quantensimulators“, berichtet Läuchli. Am PSI und dem Quanten Computing Hub der ETH Zürich werden bereits verschiedene Plattformen für Quantensimulationen erprobt, darunter Systeme mit gefangenen Ionen und Rydberg-Atomen.
„Unsere Arbeit zeigt, dass supraleitende analog-digitale Quantensimulatoren eine vielversprechende Zukunft haben“, betont Elben. Die Forschenden sind überzeugt: Der neue Quantensimulator ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu leistungsfähigen Quantencomputern, die künftig wissenschaftliche und technologische Revolutionen ermöglichen könnten.
Herausgeber
Paul Scherrer Institut
Fehler- und Korrekturhinweise
Wenn Sie einen Fehler entdecken, der Ihrer Meinung nach korrigiert werden sollte, teilen Sie ihn uns bitte mit, indem Sie an intern@mittellaendische.ch schreiben. Wir sind bestrebt, eventuelle Fehler zeitnah zu korrigieren, und Ihre Mitarbeit erleichtert uns diesen Prozess erheblich. Bitte geben Sie in Ihrer E-Mail die folgenden Informationen sachlich an:
- Ort des Fehlers: Geben Sie uns die genaue URL/Webadresse an, unter der Sie den Fehler gefunden haben.
- Beschreibung des Fehlers: Teilen Sie uns bitte präzise mit, welche Angaben oder Textpassagen Ihrer Meinung nach korrigiert werden sollten und auf welche Weise. Wir sind offen für Ihre sinnvollen Vorschläge.
- Belege: Idealerweise fügen Sie Ihrer Nachricht Belege für Ihre Aussagen hinzu, wie beispielsweise Webadressen. Das erleichtert es uns, Ihre Fehler- oder Korrekturhinweise zu überprüfen und die Korrektur möglichst schnell durchzuführen.
Wir prüfen eingegangene Fehler- und Korrekturhinweise so schnell wie möglich. Vielen Dank für Ihr konstruktives Feedback!
Unterstützen Sie uns jetzt!
Seit unserer Gründung steht die DMZ für freien Zugang zu Informationen für alle – das ist unser Alleinstellungsmerkmal. Wir möchten, dass jeder Mensch kostenlos faktenbasierte Nachrichten erhält, und zwar wertfrei und ohne störende Unterbrechungen.
Unser Ziel ist es, engagierten und qualitativ hochwertigen Journalismus anzubieten, der für alle frei zugänglich ist, ohne Paywall. Gerade in dieser Zeit der Desinformation und sozialen Medien ist es entscheidend, dass seriöse, faktenbasierte und wissenschaftliche Informationen und Analysen für jedermann verfügbar sind.
Unsere Leserinnen und Leser machen uns besonders. Nur dank Ihnen, unserer Leserschaft, existiert die DMZ. Sie sind unser größter Schatz.
Sie wissen, dass guter Journalismus nicht von selbst entsteht, und dafür sind wir sehr dankbar. Um auch in Zukunft unabhängigen Journalismus anbieten zu können, sind wir auf Ihre Unterstützung angewiesen.
Setzen Sie ein starkes Zeichen für die DMZ und die Zukunft unseres Journalismus. Schon mit einem Beitrag von 5 Euro können Sie einen Unterschied machen und dazu beitragen, dass wir weiterhin frei berichten können.
Jeder Beitrag zählt. Vielen Dank für Ihre Unterstützung!
Kommentar schreiben