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Quanten simulieren Quanten : Die perfekte Kontrolle in der Quantenwelt

Im vergangenen Jahr stellten Wissenschaftler vom National Institute of Standards and Technology (Nist) in Boulder (Colorado) den bislang größten Quantensimulator vor. Er besteht aus mehr als 200 Berylliumionen, die einen künstlichen dreidimensionalen Kristall bilden. Die geladenen Berylliumatome nehmen dabei feste Gitterplätze ein. Alle Ionen sind obendrein miteinander verschränkt, zeigen also ein perfekt abgestimmtes Verhalten. Wird der Kristall Laserlicht ausgesetzt, leuchten die verschränkten Atome und lassen sich so lokalisieren. Jedes Ion verhält sich aufgrund seines magnetischen Moments wie ein kleiner Dipolmagnet, der sich in einem externen Magnetfeld entsprechend den Feldlinien orientiert. Mit diesem System konnten John Bollinger und seine Kollegen das ferromagnetische und antiferromagnetische Verhalten nachvollziehen, wie man es etwa bei magnetisierten Eisen- und Nickelverbindungen beobachtet (hier geht`s zum  „Science“-Paper).

Bessere Simulationen als mit einem Supercomputer

Aber nicht nur die Zahl der Atome ist für die Leistungsfähigkeit eines Quantensimulators maßgeblich. Es ist auch entscheidend, ob sich die Quantenteilchen unabhängig voneinander kontrollieren, manipulieren und nach der Simulation einzeln auslesen lassen. Bislang ließ sich die volle Kontrolle nur bei Quantensimulatoren aus wenigen Teilchen erzielen.

Mehr als 200 Beryllium-Ionen bilden einen perfekten Kristall.

Nun präsentieren gleich zwei amerikanische Forschergruppen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ unabhängig voneinander Quantensimulatoren, die jeweils aus mehr als fünfzig Atomen bestehen und die sich obendrein einzeln ansprechen lassen. Mit jedem System ließen sich erstmals bestimmte magnetische Phasenübergänge, die an magnetischen Materialien nur schwer zu beobachten sind, schneller und besser simulieren als mit einem Supercomputer.

Magnetisches Verhalten wird beobachtbar

Die Wissenschaftler um Christopher Monroe von der University of Maryland nutzen zum Beispiel 53 einfach positiv geladene Ytterbiumionen, die als lineare Kette aneinandergereiht mit einem elektrischen Wechselfeld in der Schwebe gehalten wurden. Die abstoßenden Coulombkräfte hielten die Teilchen untereinander auf Abstand und sorgten gleichzeitig dafür, dass die Ionen miteinander gekoppelt waren. Änderte sich der Zustand eines Ions, dann spürten das auch die übrigen Teilchen.

Dann setzten die Forscher alle geladenen Teilchen einem Magnetfeld aus und beförderten mit abgestimmten Laserstrahlen jedes einzelne vom Grundzustand in einen angeregten Zustand. Anhand des charakteristischen Fluoreszenzlichts, das die angeregten Ionen ausstrahlten, konnten Monroe und seine Kollegen das magnetische Verhalten jedes Teilchens beobachten und verfolgen, wie es sich im Magnetfeld orientierte. Dabei hatten die 53 Ionen insgesamt 253 Möglichkeiten, sich entsprechend des Magnetfelds anzuordnen. Dass man ein solches System derzeit mit einem Supercomputer simulieren könnte, halten die Forscher für aussichtslos.

Die Aussicht, mit Quantensimulatoren eines Tages Werkstoffe effizienter für eine Anwendung entwickeln und die Ursachen von Materialfehlern schneller identifizieren zu können, als bislang möglich ist, stoßen auch auf zunehmendes Interesse in der Industrie. So hat  der Autohersteller VW bereits die Fühler nach dem Quantenwerkzeugkasten ausgestreckt. Er will den supraleitenden Quantensimulator von Google nutzen, um unter anderem Materialien und deren Eigenschaften für neue Batterien zu erforschen.  

In der EU wird die Entwicklung von leistungsfähigen Quantensimulatoren im Rahmen der jüngst aufgelegen Flaggschiff-Initiative „Quantentechnologie“ gefördert.

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