Einblicke in exotische Zustände in Quantenmaterialien

Während die Anzahl der Qubits und die Stabilität der Quanten­zustände die derzeitigen Quanten­computer noch begrenzen, gibt es Fragen, bei denen diese Prozessoren ihre enorme Rechen­leistung bereits jetzt nutzen können. In Zusammen­arbeit mit dem Google Quantum AI Team haben Wissen­schaftler der TU München und der University of Nottingham mit einem Quanten­prozessor den Grund­zustand eines „Toric Code-Hamiltonian“ simuliert – ein arche­typisches Modell­system in der modernen Physik der konden­sierten Materie, das ursprünglich im Zusammen­hang mit der Quanten­fehler­korrektur vorge­schlagen wurde.

Wie wäre es, in einer flachen, zwei­dimen­sio­nalen Welt zu leben? Physiker sagen voraus, dass die Quanten­mechanik in diesem Fall noch seltsamer wäre. Beispielsweise würde es exotische Teilchen geben, „Anyons“, die es in unserer drei­dimen­sio­nalen Welt nicht gibt. Doch diese unbekannte Welt ist nicht nur eine Kuriosität, sondern möglicher­weise der Schlüssel zu Erschließung von Quanten­materialien und -techno­logien der Zukunft. Das Team hat einen gut kontrol­lier­baren Quanten­prozessor eingesetzt, um solche Quanten­materie-Zustände simulieren.

Alle Partikel in unserer drei­dimen­sio­nalen Welt sind entweder Bosonen oder Fermionen. Jedoch wurde bereits vor fast fünfzig Jahren theoretisch vorher­gesagt, dass andere Arten von Teilchen, eben die Anyons, existieren könnten, wenn Materie auf zwei Dimensionen beschränkt ist. Solche zwei­dimen­sio­nalen Systeme sind die topo­lo­gischen Phasen der Materie, deren Entdeckung 2016 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde. Hier können Anyon-Teilchen als kollektive Anregungen entstehen.

„Das Verdrehen von Paaren dieser Anyons durch Umeinander­bewegen in der Simulation enthüllt ihre exotischen Eigen­schaften – Physiker nennen das Flecht­statistiken“, sagt Adam Smith von der University of Nottingham. Ein einfaches Bild für diese kollektiven Erregungen ist die „La Ola-Welle“ eines Stadion­publikums – sie hat eine genau definierte Position, aber sie kann ohne die Tausenden von Menschen nicht existieren, aus denen sich die Menge zusammen­setzt. Die experi­mentelle Realisierung und Simulation solcher topologisch geordneter Zustände haben sich jedoch als äußerst schwierig erwiesen. In den Experimenten program­mierte das Team den Quanten­prozessor von Google, um diese zwei­dimen­sionalen Zustände der Quanten­materie zu simulieren.

„Googles ‚Sycamore‘ Quanten­prozessor kann präzise gesteuert werden und ist ein gut isoliertes Quanten­system, was eine wichtige Voraus­setzung für die Durch­führung von Quanten­berech­nungen ist“, sagt Kevin Satzinger, ein Wissen­schaftler aus dem Google-Team. Mit dem von ihm entwickelten Quanten­algorithmus konnte das Forschungs­team schließlich Zustände mit topo­logischer Ordnung realisieren, Anyon-Anregungen simulieren und gegen­ein­ander verdrehen. Die Simulation zeigte auch die Auswirkungen weit­reichender Quanten­verschränkung.

Eine mögliche Anwendung solcher topologisch geordneter Zustände sind neue Methoden der Fehler­korrektur, um Quanten­computer zu verbessern. Erste Schritte in Richtung dieses Ziels wurden bei den Experi­menten bereits erreicht. „Schon bald werden Quanten­prozessoren eine ideale Plattform darstellen, um die Physik exotischer Phasen von Quanten­materialien zu erforschen“, sagt Frank Pollmann von der TU München. „In naher Zukunft versprechen Quanten­prozessoren, Probleme zu lösen, die für die heutigen klassischen Super­computer unerreichbar sind.“

TUM / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  K. J. Satzinger et al.: Realizing topologically ordered states on a quantum processor, Science 374, 1237 (2021); DOI: 10.1126/science.abi8378
• Theoretische Festkörperphysik, Technische Universität München
• Google Quantum AI, Mountain View, USA
• Centre for the Mathematics and Theoretical Physics of Quantum Non-Equilibrium Systems, University of Nottingham, Großbritannien