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Vielteilchensysteme: Simulierte Quantenwelten

Quantenmechanische Systeme sind oft zu komplex, um sie zu berechnen oder direkt zu untersuchen. Trotzdem entlocken Forscher ihnen immer mehr Geheimnisse – indem sie die Phänomene mit anderen Mitteln trickreich nachbauen.
Rydbergzustände in Quantensimulatoren

Als gegen Ende des 19. Jahrhunderts immer größere Leitungsnetze entstanden, um Wechselstrom über Hunderte von Kilometern in die entlegensten Winkel Amerikas und Europas zu transportieren, standen Ingenieure und Investoren vor einem gewaltigen Problem. Niemand konnte vorhersagen, wie sich so große Netzwerke verhalten würden. So könnten Überspannungen, etwa bei Kurzschlüssen oder anderen ungünstigen Bedingungen, die Leitungen oder ganze Fabrikanlagen zerstören. Zwar konnten die Wissenschaftler ein Stromnetzwerk im Prinzip mathematisch beschreiben. Doch die komplizierten Differenzialgleichungen von Hand zu lösen, war in den meisten Fällen praktisch unmöglich. Das vergrößerte das technische und finanzielle Risiko weitläufiger Stromnetzwerke erheblich.

In ihrer Not kamen die Ingenieure auf eine pfiffige Idee. Wenn sie schon nicht in der Lage waren, das Verhalten der komplizierten Stromnetzwerke zu berechnen, dann sollten sie es zumindest simulieren können. In der Praxis bedeutete das, elektrische Bauteile herzustellen, die zusammen ähnliche Eigenschaften aufwiesen wie hunderte Kilometer lange Überlandleitungen. Zugleich mussten sie aber in ein Labor passen. Einen solchen Simulator entwickelte Vannevar Bush um 1930 am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und nannte ihn Netzwerkanalysator. Dessen Benutzer konnte das Verhalten eines großen elektrischen Netzwerks im Labor ohne Risiko nachstellen und damit in gewisser Weise die mathematischen Gleichungen lösen, die es beschrieben. Der Simulator war also eigentlich ein Rechner, ein Computer – wenn auch kein digitaler, der Informationen als Abfolge von Nullen und Einsen abspeichert und verarbeitet, sondern ein analoger.

Noch bis Anfang der 1960er Jahre verwendeten viele Elektrizitätswerke diese Netzwerkanalysatoren. Dann verdrängten die neuen Digitalcomputer sie allmählich. Was immer die Simulatoren taten, digitale Rechner konnten es besser und schneller. Die Ära der Analogcomputer schien beendet.

Seit einigen Jahren jedoch erfahren Simulatoren ein unerwartetes Comeback – allerdings in völlig anderer Form. So leistungsfähig Digitalrechner auch geworden sind, es gibt immer noch Fragestellungen, an denen sie sich die Zähne ausbeißen. ...

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Sterne und Weltraum – Raumzeit: Experimente zur Quantennatur

Die Relativitätstheorie Albert Einsteins ist das Meisterwerk zur Beschreibung der Schwerkraft. Seit Jahrzehnten steht aber die Frage im Raum, ob die Gravitation auf submikroskopischen Längenskalen modifiziert werden muss. Gibt es quantenhafte Austauschteilchen, die Gravitonen? In unserem Titelbeitrag stellen wir Überlegungen vor, wie man experimentell eine Quantennatur der Raumzeit testen könnte. Im zweiten Teil unseres Artikels zur Urknalltheorie beleuchten wir alternative Ansätze zur Dunklen Energie: das Local-Void- und das Timescape-Modell. Außerdem: Teil zwei unserer Praxistipps für die Astrofotografie mit dem Smartphone – Mond und Planeten im Fokus, die Ordnung im Chaos des Dreikörperproblems und woher stammen erdnahe Asteroiden?

Spektrum der Wissenschaft – Eine Theorie von allem: Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen?

Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen? In der aktuellen Ausgabe der PMT haben wir Beiträge für Sie zusammengestellt, in denen Forscherinnen und Forscher über die Ergebnisse ihrer Suche nach einer fundamentalen Theorie unserer Welt berichten. Entstanden ist eine erkenntnisreiche Sammlung an Beiträgen über die Quantennatur der Raumzeit, denkbaren Experimenten zum Nachweis von Gravitonen, Schwarzen Löchern, der Theorie der Quantengravitation, teleparalleler Gravitation und vielem mehr. Lesen Sie, welche Fortschritte es in den letzten Jahren gab, die Gesetze der Quantenwelt mit den geometrischen Konzepten von Raum und Zeit zu vereinigen, und welche Hürden dabei noch zu überwinden sind.

Spektrum - Die Woche – Die radikale Lösung für die Plastikkrise

Plastik war einst eine Revolution – heute ist es ein Umweltproblem. Forschende in Deutschland wollen das ändern: mit neuen Kunststoffen, die vollständig recycelbar sind. Außerdem: Warum der Urknall vielleicht ganz anders war, was Männer bei einer Vasektomie erwartet und mehr.

  • Quelle

Bloch, I., Dalibard, J., Nascimbène, S.:Quantum Simulations with Ultracold Quantum Gases. In: Nature Physics 8, S. 267 - 276, 2012

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