Schweizer Technologie: Physiker entwickeln neuen Quantensimulator
Im Labor von Google haben Physiker einen Quantensimulator gebaut. Die neue Schweizer Technologie stösst die Tür auf für neue Forschung.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Simulator berechnet komplexe physikalische Prozesse mit bisher unerreichter Präzision.
- Zwei Physiker vom Paul-Scherrer-Institut waren massgeblich beteiligt.
- Die Anwendungen reichen von der Materialforschung über Medizin bis hin zur Astrophysik.
Wie verteilt sich kalte Milch, die man in heissen Kaffee tropft? Selbst die schnellsten Supercomputer können so etwas nicht präzise berechnen, weil die zugrunde liegenden quantenphysikalischen Prozesse extrem komplex sind. Der Physiknobelpreisträger Richard Feynman machte 1982 einen Vorschlag: Anstatt mit herkömmlichen Computern könnte man solche Fragen besser mit einem Quantencomputer berechnen, der die quantenphysikalischen Prozesse effizient simulieren könne – einem Quantensimulator. Feynmans Vision könnte bald Wirklichkeit werden, denn die Entwicklung von Quantencomputern schreitet voran, nicht zuletzt dank Schweizer Technologie.
Digital und analog – das beste zweier Welten
Andreas Läuchli und Andreas Elben, zwei Physiker vom Paul-Scherrer-Institut haben einen neuen Quantensimulator entwickelt und getestet. Dabei arbeiteten sie mit Forschenden von Google und Universitäten aus fünf Ländern zusammen. Das Besondere an diesem Quantencomputer: Er kombiniert zwei Funktionsweisen – eine digitale und eine analoge. In der digitalen Variante werden Berechnungen wie bei klassischen Computern durchgeführt, aber mit speziellen Quantenoperationen. Dabei können die so genannten Qubits nicht nur 0 oder 1 sein, sondern auch Werte dazwischen annehmen.
In der analogen Variante werden physikalische Prozesse direkt nachgeahmt, zum Beispiel wie sich Wärme in einem Material verteilt. Die Kombination beider Ansätze ermöglicht genauere Simulationen.
Ein anschauliches Beispiel ist eine Tasse Kaffee: Im digitalen Modus wird die Milch präzise an verschiedenen Stellen hinzugefügt. Im analogen Modus breitet sie sich dann von selbst aus und vermischt sich mit dem Kaffee. Genauso können mit dem neuen Quantenprozessor physikalische Phänomene nachgestellt werden. Das Experiment zeigt, dass solche hybrid arbeitenden Quantencomputer möglich sind und in der Forschung nützlich sein können.
Auf dem Weg zum universellen Quantensimulator
Solche Quantensimulatoren könnten in verschiedenen Teilgebieten der Physik zum Einsatz kommen. «Unser Quantensimulator stösst die Tür auf für neue Forschung», verspricht Andreas Läuchli. Zum Beispiel bei der Entwicklung von neuen Materialien, etwa Hochtemperatur-Supraleitern, und sogar bei Medikamenten, die präziser eingesetzt werden können und weniger Nebenwirkungen verursachen. Selbst in der Astrophysik sind Quantensimulatoren gefragt.
