Innsbruck. Forschende zeigen, wie neuartige Quantencomputer Einblicke in fundamentale physikalische Prozesse liefern können.
Nach Ansicht von Google werden schon in 5 Jahren Quantencomputer für praktische Anwendungen verwendet werden können. Diese „Supercomputer“ basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik und können durch die Nutzung von Quantenbits (Qubits) oder Qudits, Berechnungen deutlich schneller durchführen als herkömmliche Computer.
Quantencomputer werden auch in der Grundlagenforschung ganz neue Möglichkeiten bieten – das zeigen Forschende der Universitäten Innsbruck und Waterloo. Sie haben sich angesehen, welche Rolle Quantencomputer für die Erforschung elementarer Teilchen und ihrer Wechselwirkungen spielen könne – was wiederum eine zentrale Grundlage für das Verständnis physikalischer Vorgänge im Universum ist.
Enorme Rechenleistung nötig
Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt fundamentale Kräfte und Teilchen durch quantenfeldtheoretische Modelle. Diese Theorien bilden die Basis zur Erklärung zahlreicher Phänomene – von elektromagnetischen Wechselwirkungen bis zur Struktur der Materie. Die Simulation solcher Quantenfeldtheorien erfordert jedoch Rechenleistungen, die die Kapazitäten klassischer Supercomputer häufig übersteigt.
In ihrer Studie, die in Nature Physics publiziert wurde, simulierten Martin Ringbauer von der Universität Innsbruck und Christine Muschik von der University of Waterloo erstmals eine zweidimensionale Quantenfeldtheorie auf einem Quantencomputer. Der Fokus lag auf der Quantenelektrodynamik, die elektromagnetische Prozesse erklärt. Eine zentrale Herausforderung bestand bisher in der Abbildung elektrischer Felder, deren variable Stärke und Richtung sich binären Rechenmethoden entziehen.
Quantencomputer verwendet Qudits
Der Innsbrucker Quantencomputer verwendet Qudits anstelle von Qubits, was eine physikalisch realistischere Darstellung kontinuierlicher Feldstärken ermöglicht. Laut Michael Meth, Erstautor der Studie, bildet dieser Ansatz Felder direkt ab, wie sie in der Natur vorkommen. In Experimenten konnten grundlegende Prozesse wie die Paarbildung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren und die Entstehung magnetischer Felder beobachtet werden. Diese Phänomene sind in eindimensionalen Modellen nicht darstellbar.
Martin Ringbauer sieht in der Technologie einen neuen Zugang zu offenen Fragen der Teilchenphysik, etwa dem Farbconfinement von Quarks. Die Studie zeigt das Potenzial quantenbasierter Simulationen, komplexe Theorien jenseits klassischer Rechengrenzen zu erforschen. Die Forschung wurde durch den FWF, das BMBWF, die FFG und die EU gefördert.