Leiter: Dr. Tobias Schätz

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In der Emmy-Noether Forschungsgruppe "Quantensimulationen" wird experimentell untersucht, ob ein analoger Quantencomputer auf der Basis einer Ionenfalle realisiert werden kann.

 

Der geistige Vater des Quantencomputers, Richard Feynman, war von seiner Idee vor allem deswegen angetan, weil dieser neuartige Rechner das Potential birgt, komplexe Prozesse effektiver zu simulieren und die darauf basierenden Vorgänge in der Natur somit auch besser zu verstehen als klassische Computer. Wenn klassische Modelle komplexe Vielteilchensysteme nicht mehr beschreiben können, muss man die Systeme unter Berücksichtigung von Quanteneffekten und gegenseitigen Wechselwirkungen simulieren. Dass herkömmliche (und auch alle zukünftigen) klassischen Computer damit hoffnungslos überfordert sind, belegt ein einfaches Zahlenbeispiel. So steigt der Rechenaufwand für einen klassischen Computer exponentiell mit der zu simulierenden Teilchenzahl „N“. (Kann sich ein Teilchen in zwei möglichen Zuständen befinden, z.B. ein Elektron in zwei „Drehrichtungen“, dann steigt der Aufwand bereits mit 2^N). Für ein noch relativ überschaubar wirkendes System aus 300 Teilchen benötigt man also 2³⁰⁰ Zahlen und damit 2³⁰⁰ Speicherplatzeinträge. Dies entspricht der geschätzten Anzahl aller Protonen in unserem Universum.

 

Ein breites Spektrum von kollektiven Quantenphänomenen wird sich ohne Quantencomputer bzw. Quantensimulator einem tieferen Verständnis verschließen. Dazu zählen sowohl die Hochtemperatur-Supraleitung als auch Ferro- und Antiferromagnetismus, Leiter-Isolator-Übergänge, Supraleitung oder der Quanten-Hall-Effekt.

 

Unsere Gruppe untersucht, ob sich derartige Quantensysteme mit einem vorläufig noch sehr einfachen Quantencomputer untersuchen lassen. Die Qubits unseres Quantenrechners werden durch Ionen dargestellt, die - in einer elektromagnetischen Falle gefangen - von der Umwelt nahezu dekohärenzfrei isoliert und durch Laser auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt und manipulierbar sind. Exemplarisch wollen wir das Verhalten eines Quantenmagneten simulieren und dabei den Fragen nachgehen, was eigentlich eine Superposition von Nord- und Südpol oder die Verschränkung mehrerer elementarer Quantenmagneten in dem System, z.B. bei Quanten-Phasenübergängen, bedeutet. Aber auch neue – bisher lediglich vorhergesagte - Quanteneffekte sollten sich beobachten lassen. Hier seien beispielhaft der erstmalige Nachweis von Unruh-Strahlung (verwandt der Hawking-Strahlung am Ereignishorizont Schwarzer Löcher) oder der Quantum Random Walk (konstruktive und destruktive Überlagerung der einzelnen Zufallspfade ergeben Interferenzeffekte) genannt.

 

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