Schweizer Forscher entwickeln neuartigen Quantensimulator

Die zwei Schweizer Physiker Andreas Läuchli und Andres Elben vom Paul Scherrer Institut (PSI) haben zusammen mit Forschenden von Google und Universitäten aus fünf Ländern geschafft, was zuvor noch keinem gelungen ist. Sie haben einen neuartigen digital-analogen Quantensimulator entwickelt. Dieser soll, wie das PSI schreibt, physikalische Prozesse präzise berechnen und gleichzeitig für eine Vielzahl an Fragestellungen anwendbar sein. 

Kombination aus digital und analog

Kern des Quantensimulators ist ein von Google entwickelter Quantenchip mit 69 supraleitenden Quantenbits (Qubits), wie es weiter heisst. Die Quantenbits ermöglichten sowohl digitale als auch analoge Betriebsmodi. Digitale Quantencomputer setzen demnach auf universelle Quantengatter, die Logikgattern in klassischen Computern ähnelten. Der Unterschied bestehe darin, dass Qubits dank quantenmechanischer Überlagerung nicht nur die Zustände 0 und 1, sondern auch Zwischenzustände einnehmen könnten.

Doch das Potenzial von rein digitalen Quantensimulatoren sei noch begrenzt. Analoge Simulatoren hingegen ermöglichten die direkte Nachbildung von quantenmechanischen Wechselwirkungen. Nun sei es den Forschenden erstmals gelungen, die beiden Verfahren miteinander zu kombinieren. 

Der digitale Modus des neuen Quantensimulators definiert gemäss PSI diskrete Anfangsbedingungen und kann den Startzustand eines physikalischen Prozesses präzise und flexibel festlegen. Der analoge Modus simuliere dann im Anschluss über die Wechselwirkungen der Qubits die physikalische Dynamik, wie sie in realen Festkörpern auftritt. Veranschaulicht wird der Prozess über das Beispiel des Einbringens von Wärme in einen Festkörper, wie das PSI schreibt. Der digitale Modus definiere hierbei etwa, dass Milchkännchen an hundert unterschiedlichen Stellen gezielt kalte Milch in eine Tasse mit heissem Kaffee tropfen lassen. Im analogen Modus würde dann der Prozess der Verteilung der Milch im Kaffee, zum Beispiel in Anbetracht der Wärmeausbreitung, simuliert.

"Wir können dem Quantensimulator dabei zuschauen, wie er ins thermische Gleichgewicht übergeht – oder in der Kaffeeanalogie: wie sich die Milch im Kaffee verteilt und sich die Temperatur dabei ausgleicht", sagt Elben. "Mit unserer Arbeit zeigen wir, dass supraleitende analog-digitale Quantenprozessoren auf einem Chip möglich sind und sich als Quantensimulator eignen", betont Läuchli.

Universeller Quantensimulator

Anders als analoge Modelle, die sich jeweils nur für eine spezifische physikalische Fragestellungen eignen, soll der neu entwickelte Quantensimulator mehrere Fragestellungen beantworten können. Neben der Thermodynamik lasse sich beispielsweise auch Magnetismus untersuchen, ermöglicht durch die Beschaffung von Googles Quantenchip. Auf diesem sind laut PSI die Qubits in einem Rechteck angeordnet, die ihre magnetischen Richtungen im Anfangszustand strikt abwechseln. Zudem könne der digital-analoge Quantensimulator dabei helfen, neue Materialien zu entwickeln, wie etwa Hochtemperatur-Supraleitern oder Medikamente, die präziser wirken. 

Auch in der Astrophysik seien Quantensimulatoren gefragt, zum Beispiel für das sogenannte Informationsparadoxon. Der Quantensimulator könne Forscher dabei unterstützen, eine Antwort darauf zu finden, warum es in Schwarzen Löchern zum Informationsverlust kommt. "Unser Quantensimulator stösst die Tür auf für neue Forschung", verspricht Läuchli. "Wir dienen auch als Ideengeber für neue Experimente an den Grossforschungsanlagen des PSI. Und wir unterstützen Forschende, welche an den Anlagen ihre Experimente durchführen, wenn sie überraschende Ergebnisse interpretieren müssen. Und dafür werden wir in Zukunft verstärkt Quantensimulatoren einsetzen."

Google hat vor Kurzem erst ihren neuen Quantenchip namens Willow vorgestellt. Was diesen so besonders machen soll, erfahren Sie hier.