Erfolg für Innsbrucker Quantenphysiker

Quantenphysikern der Universität Innsbruck ist ein Durchbruch gelungen. Nach jahrelanger Arbeit konnte eine neue Methode entwickelt werden, die bisher kaum lösbare und komplexe Fragestellungen der Teilchenphysik simulieren könnte.

Quantensysteme, etwa in Form eines Stücks Metall, sind schwer zugänglich. Um die Vorgänge der einzelnen Teilchen bzw. Atome im Metall beschreiben zu können, werden Quantensimulatoren verwendet. Je mehr Atome bzw. Quanten, desto schwieriger wird das Simulieren, beschreibt die Quantenphysikerin Christine Maier. Bisher konnten Modelle mit nur vier Teilchen simuliert werden, den Innsbrucker Forschern ist es jetzt gelungen, ein System mit 20 sogenannten Quantenbits zu realisieren.

Quantencomputer mit konventionellem PC kombiniert

Die Innsbrucker Forscher haben für die Simulation einer komplexen physikalischen Fragestellung ihren Quantencomputer dazu gebracht, auf klassischem Weg effizient lösbare Arbeiten sozusagen in die Cloud auszulagern und von einem konventionellen PC erledigen zu lassen. Der programmierbare Quantensimulator kombiniert mit einem klassischen Computer könne sehr viel kompliziertere Probleme lösen, als nur jene, für die der Simulator ursprünglich gebaut wurde, erklärt Theoretiker Christian Kokail. Zudem konnten die Forscher den Computer mit einem optimiertem Algorythmus ausstatten.

Diese Methode ist so effizient, dass sich damit auch mit noch größeren Quantensimulatoren rechnen ließe. Das könnte auch bald schon Realität werden, arbeiten die Innsbrucker Quantenphysiker doch schon seit einiger Zeit an einem Quantencomputer mit bis zu 50 Ionen.

Quantencomputer kontrolliert sich selbst

Damit stoßen die Forscher allerdings in einen Bereich mit bisher ungelösten Problemen vor. Die Schwierigkeit ist, dass Qubits sehr empfindlich gegenüber Störungen sind und daher unweigerlich Fehler machen. Diese Fehlerkontrolle und -korrektur konnte bisher noch am klassischen PC gemacht werden. Bei 50 Qubits ist das aber nicht mehr möglich. Durch zusätzliche Messungen im Quantensystem konnte auch darauf eine Lösung gefunden werden. Anhand dieser Messergebnisse beurteilt der Quantenrechner selbst die Qualität der Simulation.

Durch die Forschungsergebnisse der Innsbrucker Quantenphysiker sei die Simulation von alltagsrelevanten Quantenproblemen in greifbare Nähe gerückt. So könnten künftig etwa Materialien und Festkörper besser simuliert und verstanden werden. Das Wissen könne dazu verwendet werden, um supraleitende Materialien herzustellen, so Christian Kokail.

Zusammenarbeit von Theorie und Experiment

Für den Forschungserfolg sei unter anderem die gute Atmosphäre und vor allem die enge, einzigartige Zusammenarbeit zwischen theoretischer und experimenteller Physik verantwortlich. Probleme könnten durch den guten Austausch innerhalb eines Gebäudes viel schneller und effizienter gelöst werden. Das Ergebnis der Innsbrucker Forscher wird auch im renommierten Fachjournal „Nature“ veröffentlicht.