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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.

          6 Min.

          „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

          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.

          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.

          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.

          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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