Eintrittskarte in die Quantenwelt
Annalen der Physik: Das Journal widmet dem komplexen Gebiet das Themenheft „Quantum Simulations“.
Quanten-Vielteilchensysteme spielen eine Rolle in den verschiedensten Zweigen der Physik und der Chemie. Da die Anzahl von Parametern, die die Quantenzustände beschreiben, exponentiell mit der Anzahl der beteiligten Komponenten wächst, können auch mithilfe der leistungsfähigsten Supercomputer selbst Aufgaben mit einer relativ geringen Zahl an Subsystemen nicht mehr gelöst werden. Die Simulation von Quanten-Vielteilchensystemen ist immer noch eine riesige Herausforderung.
Abb.: Annalen der Physik: Sonderausgabe „Quantum Simulations“ (Bild: Wiley)
Die neueste Ausgabe der Annalen der Physik „Quantum Simulation” widmet sich diesem spannenden Thema. Vier anerkannte Wissenschaftler fungieren als Mitherausgeber des Heftes: Rainer Blatt und Peter Zoller sind beide Wissenschaftliche Direktoren am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und haben Lehrstühle an der Universität Innsbruck inne – Zoller für Theoretische Physik und Blatt für Experimentelle Physik, wo er auf dem Gebiet der Quanteninformation mit gefangenen Ionen forscht. Immanuel Bloch und Ignacio Cirac gehen ihren Forschungen am Max Planck Institut für Quantenoptik (MPQ) in München nach. Bloch ist Wissenschaftlicher Direktor der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme und hat einen Lehrstuhl für Quantenoptik an der Universität München inne. Cirac, Leiter der Abteilung Theorie am MPQ, erforscht die Theorie der Quanteninformation und der Quantenoptik.
In ihrem Editorial beziehen sich die Mitherausgeber auf Richard Feynman, der bereits 1981 vorschlug, Quantensysteme statt klassischer Computer zu verwenden, um Quantensimulationen durchzuführen. Auf diese Weise werde die Notwendigkeit umgangen, eine kolossale Anzahl von Parametern zu speichern und zu berechnen, die nötig sind, um die auftretenden Superpositionen zu beschreiben – eine visionäre Idee zu jener Zeit. Inzwischen sind Wissenschaftler in der Lage, verschiedenste Quantensysteme mit nie dagewesener Präzision zu kontrollieren und zu manipulieren. Sie arrangieren Quanten-Subsysteme in verschiedenen Geometrien, modifizieren deren Interaktionen und detektieren sie. „Das erlaubt uns, Hamilton-Operatoren zu konstruieren und Systeme zu emulieren, die einige der faszinierendsten Quantenphänomene zeigen“, führen die Gastherausgeber aus. „Der Grad an Kontrolle, der in diesen Experimenten erreicht wird, hat die Beobachtung von verblüffenden Quanteneffekten ermöglicht, etwa bezüglich des Superpositionsprinzips oder verschränkter Zustände, und ihres Verschwindens aufgrund von Dekohärenz.“
Und so wurde 2012 denn auch der Nobelpreis in Physik für solche bahnbrechenden Experimente an S. Haroche and D. Wineland vergeben. Mit einer Beschreibung ihrer grundlegenden Arbeiten eröffnen diese beiden Preisträger die Runde faszinierender Übersichts-Artikel und Forschungsarbeiten der aktuellen Sonderausgabe.
Drei eingeladene Reviews schließen sich an. Der erste behandelt jüngste theoretische Vorschläge, kalte Atome in optischen Gittern zu verwenden, um Gittereichtheorien zu simulieren, wie sie in der Hoch-Energie-Physik eine Rolle spielen. Der zweite deckt sowohl theoretische Vorschläge als auch experimentelle Demonstrationen kalter Atom-Systeme zur Simulation der Physik von Materie in der Gegenwart von Eichfeldern ab, die sogenannte topologische Phänomene zeigen. Der dritte Review umfasst einen umfangreichen Überblick und neue Vorschläge zur Durchführung einer breiten Palette an Quantensimulationen mithilfe von Quantenpunkt-Systemen. Sechs Originalarbeiten runden die Spezialausgabe ab.
K. Maedefessel-Herrmann / DE
