Feynmans Traum wird langsam wahr
1982 hatte Richard Feynman die Idee, komplexe Systeme mit gezielt konstruierten Quantensystemen zu simulieren. Inzwischen ist die Physik diesem Ziel näher gekommen.
Ausprobieren, exakt berechnen oder simulieren – diese Frage stellen sich Physiker, Chemiker und Forscher vieler Bereiche fast täglich, wenn sie das Verhalten ihrer Studienobjekte verstehen oder vorhersagen möchten. Bei komplexen Festkörpern wie Supraleitern ist jedoch der mögliche Parameterbereich, über den sich ihre Eigenschaften signifikant ändern, enorm groß. Zudem ist die exakte Berechnung des Zustands und der zeitlichen Entwicklung von solchen Vielteilchensystemen nahezu aussichtslos. Die Quantenmechanik macht einem hier einen Strich durch die Rechnung. Insbesondere eine der faszinierendsten Eigenschaften von quantenmechanischen Vielteilchen-Wellenfunktionen macht konventionellen Computern zu schaffen: starke Korrelationen beziehungsweise Verschränkung im System.
An dieser Stelle setzt die Idee der Quantensimulatoren an. Zuerst von Richard Feynman erdacht, verwendet man ein anderes Quantensystem, um die relevanten Eigenschaften des zu untersuchenden Systems nachzubilden. Die grundsätzliche Anforderung an den Quantensimulator ist dabei, dass sich dieser deutlich besser kontrollieren lässt als das ursprüngliche System. Das zweite Quantensystem ist also selbst der „Computer“, auf dem die Simulation ausgeführt wird; die Gesetze der Quantenmechanik finden dort auf natürliche Weise Anwendung.
Dies löst gleichzeitig das Problem der Quanteninformationsspeicherung und der zeitlichen Abarbeitung: Einerseits ist die gesamte Information intrinsisch im System gespeichert, andererseits entwickelt es sich über seine natürliche Zeitentwicklung weiter. Diese Implementierung wird oftmals auch als analoger Quantensimulator bezeichnet. Dieser stellt also komplexe Quantensysteme mit einem sehr gut kontrollierbaren Modellsystem nach.
Mit ultrakalten Gasen in optischen Fallen als Modellsysteme für analoge Quantensimulatoren wurden in den vergangenen Jahren faszinierende Ergebnisse erzielt, wie Patrick Windpassinger von der Universität Mainz in Physik in unserer Zeit beschreibt. Er veranschaulicht die Erfolge an drei Anwendungen. Ein Beispiel ist der Übergang von einem delokalisierten Suprafluid in einen Mott-Isolator aus fest lokalisierten Teilchen, das zweite sind frustrierte Spinsysteme, zum Beispiel auf Dreiecksgittern, und das dritte Beispiel ist die Simulation des Phasenübergangs zwischen Bose-Einstein-kondensierten Molekülen und suprafluiden Cooper-Paaren.
Den vollständigen Artikel, der in Physik in unserer Zeit erschienen ist, finden Sie hier zum freien Download.
