Quantencomputer geben Einblick in die fundamentalen Bausteine der Natur
Simulation zeigt, wie sich Teilchen und Strings im Laufe der Zeit entwickeln.
Die fundamentalen Kräfte der Natur werden in der Wissenschaft durch komplexe theoretische Modelle beschrieben. Die Berechnung und Überprüfung dieser Theorien überfordert allerdings selbst herkömmliche Supercomputer. Ein Forschungsteam der TU München, der Princeton University und von Google Quantum AI hat nun gezeigt: Quantencomputer können solche fundamentalen physikalischen Prozesse direkt simulieren. Das Forschungsergebnis stellt einen wichtigen Schritt in der Quanteninformatik dar und zeigt ihr Potenzial. In Zukunft könnten Forscher damit tiefere Einblicke in die Teilchenphysik, Quantenmaterialien und sogar die Natur von Raum und Zeit selbst gewinnen. Es geht also um das Verständnis der Funktionsweise der Natur auf ihrer grundlegendsten Ebene, wie sie von Eichtheorien beschrieben wird.
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Für die direkte Simulation der fundamentalen Wechselwirkungen nutzten die Forscher den Quantenprozessor von Google, einen hochmodernen supraleitenden Chip, der nicht mit den klassischen Einheiten 0 und 1 rechnet, sondern mit Qubits, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren. In der Studie konnten die Forscher zeigen, wie sich Strings verhalten. „Unsere Arbeit zeigt, wie Quantencomputer uns helfen können, die grundlegenden Regeln zu erforschen, die unser Universum bestimmen“, sagt Michael Knap von der TU München. „Durch die Simulation dieser Wechselwirkungen im Labor können wir Theorien auf neue Weise testen.“
„Durch die Anpassung der effektiven Parameter im Modell konnten wir die Eigenschaften der Strings abstimmen“, erläutert Tyler Cochran von der Princeton University. „Sie können stark schwanken, sich eng zusammenziehen oder sogar zerbrechen.“ Die Daten aus dem Quantenprozessor offenbarten die charakteristischen Verhaltensweisen solcher Strings, die direkte Analogien zu Phänomenen in der Hochenergie-Teilchenphysik aufweisen.
„Unter Nutzung der Leistungsfähigkeit des Quantenprozessors haben wir die Dynamik untersucht und beobachtet, wie sich Teilchen und die unsichtbaren Strings, die sie verbinden, im Laufe der Zeit entwickeln“, so Pedram Roushan, von Google Quantum AI.
TUM / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
T. A. Cochran et al.: Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1)D lattice gauge theories, Nature 642, 315 (2025); DOI: 10.1038/s41586-025-08999-9 - Kollektive Quantendynamik (M. Knap), Dept. of Physics, School of Natural Sciences, Technische Universität München
