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Quanten simulieren Quanten : Die perfekte Kontrolle in der Quantenwelt

Künstlerische Darstellung eines Quantensimulators als Modellsystem hier für Magnetismus: Die Atome sind aufgereiht wie die Perlen einer Kette. Die von oben kommende Laserstrahlen verändern die Zustände der Teilchen. Bild: E. Edwards/JQI

Manchmal sind auch die schnellsten Supercomputer überfordert. Dann helfen nur künstliche Quantensysteme als Modelle weiter. Die Quantensimulatoren geben Einblicke in den Magnetismus, aber auch in die Elementarteilchenphysik.

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          „Sunway Taihu Light“ bricht derzeit alle Rekorde. Der chinesische Supercomputer am Rechenzentrum in Wuxi nahe Schanghai ist mit Abstand die weltweit schnellste Rechenanlage, und das zum zweiten Mal in Folge. Mit 93 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde (Petaflops) ist Sunway fast dreimal so schnell wie sein Vorgänger, „Tianhe-2“, der den zweiten Platz der 500 besten Supercomputer einnimmt. Die  schnellste Rechenanlage in Deutschland, „Hazel Hen“ am Höchstleistungszentrum HLRS bei Stuttgart (5,6 Petaflops), schafft es immerhin auf den 19. Platz der Top 500.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Rangliste, die jährlich neu erstellt wird, ist mehr als nur eine technische Leistungsschau. Denn die Elektronenhirne sind für Wissenschaftler fast aller Disziplinen unentbehrliche Werkzeuge, um komplexe Vorgänge der belebten und unbelebten Natur zu simulieren oder die Eigenschaften von Biomolekülen sowie das Verhalten von Gasen, Flüssigkeiten und fester Materie möglichst detailgetreu zu berechnen. Und je mehr Bits und Bytes ein Rechner in kürzester Zeit verarbeiten kann, desto realitätsnaher und vertrauenswürdiger sind die Resultate.

          HALs kleiner Bruder: Chinass „Sunway TaihuLight“ Supercomputer in Wuxi
          HALs kleiner Bruder: Chinass „Sunway TaihuLight“ Supercomputer in Wuxi : Bild: dpa

          Doch trotz der hohen Rechenleistung stoßen auch die schnellsten Rechner bisweilen an ihre Grenzen. Das gilt insbesondere für quantenphysikalische Phänomene, die sich auf der Ebene von Elektronen, Atomen, Molekülen oder Lichtquanten abspielen. Häufig dominieren hier noch die Überlagerung oder die Verschränkung von Zuständen, Verhaltensweisen, die sich mit klassischen Computern nicht oder nur schwer nachahmen lassen. Die zu lösenden Gleichungen sind oft so kompliziert, dass ein Supercomputer bereits bei der Simulation eines Quantensystems aus einigen Dutzend Teilchen schnell überfordert ist. Müssen bei einem System aus vier Teilchen 16 Bits gleichzeitig verarbeitet werden, so sind es bei 20 Teilchen bereits mehr als eine Million.

          Bild: MPI für Quantenoptik,

          Rettung durch „künstliche“ Quantensysteme

          Die grundlegenden Schwierigkeiten, die bei der Berechnung von Quantensystemen auftreten, erkannte bereits der Nobelpreisträger Richard Feynman 1981, als Theoretiker die ersten Konzepte für Rechenmaschinen ersannen, die nach den Regeln der Quantenphysik arbeiten. Den Ausweg sah der amerikanische Physiker in einem „künstlichen“ Quantensystem, das von den Wissenschaftlern perfekt kontrolliert werden kann. Mit einem solchen Quantensimulator könnte man, weil er selbst den Gesetzen der Quantenphysik unterworfen ist, schwer beschreibbare  Festkörper, Flüssigkeiten, Gase oder andere Vielteilchensysteme einfacher zu modellieren  und deren Eigenschaften zu berechnen.

          Seit Feynmans Idee sind viele Ansätze für Quantensimulatoren ersonnen worden: Extrem kalte neutrale Atome oder einfach geladene Ionen, die mit Laserstrahlen manipuliert werden, und supraleitende Leiterschleifen auch Chips, in denen elektrische Ströme ohne Widerstand fließen. Dabei ist jede Variante auf eine spezielle Aufgabe zugeschnitten - im Gegensatz zu universellen Quantencomputern, die viele Aufgaben gleichzeitig angehen sollen.

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