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Forschungsergebnisse zur Quantensimulation Gezieltes Schütteln stabilisiert exotische Quantenzustände

Quelle: Pressemitteilung Technische Universität München 1 min Lesedauer

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Exotische Quantenzustände sind extrem begehrt, da sie Informationen grundlegend anders speichern und verarbeiten als klassische Systeme. Zu ihrer Erzeugung werden Quantensysteme oft periodisch 'geschüttelt'.

Professor Johannes Knolle mit seinem inzwischen in China tätigen Forschungskollegen Professor Hongzheng Zhao. (Bild: Robert Reich/TUM)
Professor Johannes Knolle mit seinem inzwischen in China tätigen Forschungskollegen Professor Hongzheng Zhao.
(Bild: Robert Reich/TUM)

Durch das 'Schütteln' nehmen Quantensysteme jedoch meist Energie auf, sie erhitzen sich also und verlieren ihre Struktur. Das aber ist ein großes Hindernis für Quantensimulation und Quantencomputer. Nun ist es internationalen Forschenden gelungen, dieses Aufheizen zu verhindern und stabile, langlebige exotische Zustände zu schaffen.

In einer neuen Studie im Magazin „Nature“ zeigen die Forschenden, dass diese unerwünschte Erwärmung durch zufälliges Schütteln eines supraleitenden Quantencomputers mit 78 Qubits drastisch verlangsamt werden kann. Statt die Energie durch völlig unstrukturiertes Schütteln hinzuzufügen, verwenden sie sorgfältig entworfene Muster zufälliger Impulse, die sich im Laufe der Zeit teilweise gegenseitig aufheben.

Unerwünschte Erwärmung von Quantencomputern wird gebremst

Durch die direkte Messung der Quantenverschränkung im Prozessor konnte das Team die Entwicklung des Systems über mehr als tausend Zyklen hinweg verfolgen. Das geht weit über das hinaus, was heutige klassische Computer simulieren könnten. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst Zufälligkeit, wenn sie sorgfältig konstruiert wird, zur Steuerung komplexer Quantensysteme und zur Erforschung neuer Zustände der Materie genutzt werden kann.

Die quantentheoretischen Vorhersagen der nun nachgewiesenen exotischen Systeme wurden während eines Forschungsaufenthalts des damaligen Promotionsstudierenden Hongzheng Zhao an der TUM School of Natural Sciences bei Professor Johannes Knolle an dessen Professur für Theorie der Quantenmaterie entwickelt. Inzwischen ist Hongzheng Zhao selbst Professor an der Peking Universität.

Experiment in China bestätigt Vorhersage von TUM-Forschenden

Der experimentelle Nachweis gelang nun einem Team unter Professor Heng Fan an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften auf einem hochmodernen „Chuang-tzu 2.0“-Quantenchip mit 78 Quantenteilchen (Qubits) (siehe auch: „IT-Trends aus China. Quanatum, Photonik, KI und eigene Chipproduktion; Machtvoll und mit Feuer ist der chinesische Tech-Stack unterwegs“). An der Forschungsarbeit waren zudem das Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme Dresden und das Imperial College London beteiligt.

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