Störungssimulation bei Quantensystemen Quanten-Computer der TU Dortmund hilft Physikern

Quanten-Computer sind schneller und leistungsfähiger als herkömmliche Computer. Sie ermöglichen es, komplexe Systeme mit zahlreichen Komponenten zu simulieren und Vorgänge zu analysieren, die sich darin abspielen. Den Physikern an der TU Dortmund steht ein Quanten-Computer zur Verfügung, der größtenteils von ihnen selbst gebaut wurde.

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Das Problem ist ein altbekanntes der Physik: Welchen Einfluss haben Störungen auf das Ausbreiten eines Quantensystems, also eines Systems von Teilchen, deren Bewegung durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben wird? Peter Suter von der Fakultät Physikder Technischen Universität Dortmund ist es gemeinsam mit Kollegen vom Weizmann Institute of Science in Rechovot/Israel und dem französischen Institut Non Linéaire de Nice gelungen, das Problem mit Hilfe eines Quanten-Computers zu lösen, der an der TU Dortmund steht. Dank dieser Computertechnologie konnten die Wissenschaftler den Schwellenwert berechnen, ab dem das beobachtete System nicht mehr wächst.

Auf das auf das Problem war Philip Warren Anderson, Physik-Nobelpreisträger von 1977, in den 1950er-Jahren gestoßen. Anderson untersuchte die Leitfähigkeit in verschiedenen verunreinigten Materialien. Er erforschte das damals bereits bekannte Phänomen, dass die Leitfähigkeit mit wachsender Verunreinigung des Materials abnimmt beziehungsweise irgendwann nicht mehr vorhanden ist. Allerdings war es ihm nicht möglich, exakt den Punkt zu ermitteln, an dem dies eintritt.

Dieser Fragestellung haben sich nun die Wissenschaftler der TU Dortmund gewidmet. Sie haben simuliert, wie sich ein Quantensystem verhält, wenn es in ein starkes statisches Magnetfeld gebracht wird.

Die Forschungsergebnisse

Zunächst konnten sie beobachten, dass die enthaltenen Teilchen immer stärker miteinander interagierten und das Quantensystem stetig größer wurde. „Das System verhält sich in etwa so wie Tinte, die sich in klarem Wasser nach und nach ausbreitet“, erklärt Professor Suter.

Um das System näher zu analysieren, simulierten sie verschiedene Störungen, mit denen sie das System konfrontierten. Hierbei beobachteten sie, dass sich das System ab einem bestimmten Störungsgrad nicht mehr ausbreitet, sondern zum Stillstand kommt. Diesen so genannten Phasenübergang konnten die Wissenschaftler mit Hilfe des Quanten-Computers simulieren und so genau festlegen, ab welcher Störungsstärke er sich einstellt.

„Mit der Technik, die ihm damals zur Verfügung stand, konnte Anderson das Problem nicht so ausführlich erforschen wie wir heute“, sagt Professor Suter. Er und seine Kollegen haben für ihre Arbeit ein System mit 7.000 physikalischen Teilchen simuliert – so war es möglich, den Phasenübergang gut erkennbar zu machen. Mit einem normalen Computer von heute wäre in derselben Zeit lediglich die Simulation eines Systems möglich, das sich nur aus rund 20 Teilchen zusammensetzt.

Über ihre Lösung berichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins „Science“.

* Martin Rothenberg arbeitet für das Referat Hochschulkommunikation der Technische Universität Dortmund.

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