29.10.2020

Quantensimulation mit dynamischem Strukturfaktor

Modellierung schlägt Brücke zwischen Quanteninformatik und Physik der kondensierten Materie.

Eine gemeinsame Forschungsgruppe der Freien Universität Berlin und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) hat einen Weg aufgezeigt, um die quanten­physikalischen Eigenschaften komplexer Festkörper­systeme zu simulieren. Und zwar mithilfe von komplexen Festkörper­systemen, die experimentell untersucht werden können. „Das eigentliche Ziel ist ein robuster Quanten­computer, der auch bei Fehlern stabile Ergebnisse erzeugt und diese Fehler korrigiert“, erklärt Jens Eisert, Professor an der Freien Universität Berlin und Leiter einer gemeinsamen Forschungs­gruppe am HZB. Bislang ist die Entwicklung großer, robuster Quantencomputer noch in weiter Ferne, denn Quanten­bits reagieren extrem empfindlich auf kleinste Schwankungen der Umgebungs­parameter. Doch nun könnte ein neuer Ansatz Erfolg versprechen.
 

Abb.: Ultrakalte Atome in einem optischen Gitter, ähnlich wie Murmeln im...
Abb.: Ultrakalte Atome in einem optischen Gitter, ähnlich wie Murmeln im Eierkarton, zählen zu den betrachteten Quanten­systemen. (Bild: arö / HZB)

Eine Postdoktorandin und ein Postdoktorand aus der Gruppe um Jens Eisert, Maria Laura Baez und Marek Gluza, haben eine Idee von Richard Feynman aufgegriffen. Dieser hatte vorgeschlagen, reale Systeme aus Atomen mit ihren quanten­physikalischen Eigenschaften für die Simulation anderer Quanten­systeme heranzuziehen. Diese Quantensysteme können aus perlenkettenartig aufgereihten Atomen mit besonderen Spin-Eigenschaften bestehen, geeignet aber wären aber auch Ionenfallen, Rydberg­atome, supra­leitende Qbits oder Atome in optischen Gittern. Gemeinsam ist ihnen, dass man sie im Labor erzeugen und auch kontrollieren kann. Ihre quanten­physikalischen Eigenschaften könnten dazu heran­gezogen werden, um das Verhalten anderer Quanten­systeme vorherzusagen. Doch welche Quantensysteme wären gute Kandidaten? Gibt es eine Möglichkeit, dies vorab herauszufinden?

Das Team um Eisert hat diese Frage nun mit einer Kombination aus mathematischen und numerischen Methoden untersucht. Tatsächlich zeigte die Gruppe, dass der dynamische Struktur­faktor solcher Systeme ein mögliches Werkzeug ist, um Aussagen über andere Quanten­systeme zu treffen. Dieser Faktor bildet indirekt ab, wie sich Spins oder andere Quantengrößen mit der Zeit verhalten, er wird durch eine Fourier­transformation errechnet.

„Diese Arbeit schlägt eine Brücke zwischen zwei Welten“, erklärt Jens Eisert. „Da ist zum einen die Gemeinschaft der kondensierten Materie, die Quantensysteme untersucht und die daraus neue Erkenntnisse gewinnt – und zum anderen die Quanten­informatik – die sich mit Quanten­information befasst. Wir glauben, dass große Fortschritte möglich werden, wenn wir die beiden Welten zusammen­bringen“, sagt der Wissenschaftler. 

HZB / DE

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