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Quanten simulieren Quanten : Die perfekte Kontrolle in der Quantenwelt

Quantencomputer, deren Hardware sich nicht groß von der Hardware eines Quantensimulators unterscheidet, rechnen und verarbeiten  sogenannte Quantenbits. Diese Informationseinheiten können die Spins (Drehimpulse) oder Anregungszustände von neutralen oder geladenen Atomen sein. Aber auch die Richtungen der in supraleitenden Leiterschleifen kreisenden elektrischen Ströme werden als Qubits genutzt. Quantenbits unterscheiden sich von klassischen Bits dadurch, dass sie mehrere Zustände gleichzeitig annehmen können (Hier lesen Sie mehr über Quantencomputer).

Atome unter Beobachtung

Während bei der Entwicklung von Quantencomputern die Festkörperphysiker mit ihren supraleitende Chips die Nase vorn zu haben scheinen, dominieren bei den leistungsfähigen  Quantensimulatoren die Atomphysiker. So können die Forscher um Immanuel Bloch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München den Übergang eines Materials vom Isolator zum Leiter simulieren. Dazu benutzen sie tiefgekühlte Atome, die in einem von Laserstrahlen aufgespannten regelmäßigen optischen Gitter angeordnet sind. Die Atome, die wie Eier in einem Eierkarton sitzen, verhalten sich auf ihren Gitterplätzen wie die Leitungselektronen in einem Festkörper, lassen sich aber leichter manipulieren und beobachten.

Quantensimulator im Labor: Optische Bank mit Lasern und unzähligen optischen Elementen.

Mit ihrem Quantensimulator konnten Bloch und seine Kollegen bereits viele Quantenphänomene, darunter eines, das 1976 der Theoretiker Douglas Hofstadter für Elektronen eines flachen Kristalls in einem starken Magnetfeld voraussagte, und das vor ein paar Jahren bei einer dünnen Graphenschicht tatsächlich beobachtet wurde. Das Energiespektrum der Elektronen sollte in Abhängigkeit des Felds eine auffällige fraktale Struktur zeigen, die an einen Schmetterling erinnert. Weil man die dazu erforderlichen hohen Magnetfelder nur schwer im Labor erzeugen kann, ist man dazu übergegangen, das Energiespektrum der Elektronen mit Atomen und einem schwächeren Magnetfeld zu simulieren.

Dass man einen Hofstadter Schmetterling auch mit einem Quantensimulator aus neun gekoppelten supraleitenden Leiterbahnen und eingestrahlten Mikrowellenpulsen erzeugen kann, haben jetzt Physiker von der University of California, Santa Barbara gezeigt. Die Mikrowellenpulse übernehmen die Rolle der Elektronen, die elektrischen Ströme in den supraleitenden Spulen die des Magnetfelds, wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Science“ berichten.

Einblicke in die Elementarteilchenphysik

Auch die grundlegenden Prozesse der Elementarteilchenphysik – etwa die spontane Entstehung von Teilchen und Antiteilchen aus dem Vakuum – lassen sich mit geladenen Atomen nachbilden. Das haben unlängst Forscher um Peter Zoller und Rainer Blatt von der Universität Innsbruck demonstriert. Der Quantensimulator bestand aus vier isolierten Kalziumionen, die von elektrischen und magnetischen Feldern in der Schwebe gehalten und von Laserstrahlen kontrolliert wurden. Die Innsbrucker Forscher konnten so erste Einblicke in komplizierte Vorgänge gewinnen, die sich bei den aufwendigen Kollisionsexperimenten in Teilchenbeschleunigern abspielen.

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