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Physik: Quantensimulatoren auf der Überholspur

Leistungsfähige universelle Quantencomputer lassen noch auf sich warten. Bis dahin lösen ihre hoch spezialisierten Verwandten gewisse physikalische Probleme immer besser: die Quantensimu­latoren. Sie sind bei einigen Aufgaben mittlerweile ähnlich gut wie klassische Supercomputer.
Es gibt mittlerweile eine ganze Reihe von unterschiedlichen Modellsystemen: Atome in optischen Gittern, aufgereihte Ionen in Ionenfallen oder Laserpulse, die durch nichtlineare Kristalle flitzen und sich dabei aufspalten.

Im Herzen der Materie ist überall die Quantenphysik am Werk. Deren Gesetze sind zwar bekannt, aber die Komplexität der schwierigen Gleichungen nimmt sehr schnell mit der Anzahl der involvierten Teilchen zu. Die Wechselwirkungen bei chemischen Reaktionen beispielsweise lassen sich bloß für die einfachsten Moleküle noch quantenmechanisch exakt berechnen.

Bei größeren Objekten kommen nur Näherungsverfahren in Frage, mit deren Hilfe Wissenschaftler die ungefähren Reaktionsschritte bestimmen. Selbst die leistungsstärksten Supercomputer kommen dabei schnell an ihre Grenzen, da die nötigen Rechenzeiten exponentiell mit der Größe des betrachteten Systems ansteigen. In Zukunft könnten jedoch Quantencomputer helfen. Sie arbeiten schon von ihrem Bauprinzip her quantenmechanisch und können daher die notwendigen Kalkulationen sehr viel schneller abarbeiten als herkömmliche Computer. Davon dürften viele Industriezweige profitieren. Die chemische Industrie etwa setzt jedes Jahr riesige Mengen an Grundstoffen um. Gelänge es, auch nur einige wenige Reaktionsschritte dank neuer Quanten-Algorithmen zu optimieren, wären die möglichen Einsparungen immens ...

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  • Quellen

Groß, C., Bloch, I.: Quantum Simulations with Ultracold Atoms in Optical Lattices. In: Science 357, S. 995-1001, 2017

Lanyon, B. P. et al.: Efficient Tomography of a Quantum Many-Body System. In: Nature Physics 10.1038/nphys4244, 2017

Mazurenko, A. et al.: A Cold-Atom Fermi-Hubbard Antiferromagnet. In: Nature 545, S. 462-466, 2017