Quantensimulation: Durchbruch des Jahres
Die internationalen Wissenschaftsmagazine bestimmen jedes Jahr die bedeutendsten wissenschaftlichen Erfolge des abgelaufenen Jahres. So auch die Fachzeitschrift Science, die in ihrer aktuellen Ausgabe zehn besonders wichtige Entdeckungen auflistet. Neben der Bestimmung des Neandertaler-Genoms oder Erfolgen bei der Aids-Prophylaxe wurden auch zwei Fortschritte aus der Quantenphysik in die Liste aufgenommen: der Bau der ersten Quantenmaschine, einem makroskopischen Objekt, das in einen Zustand der Überlagerung gebracht wurde, sowie der erfolgreiche Test der ersten Quantensimulatoren.
In diesem Jahr gelang es mehreren Forschungsgruppen mit solchen Quantensimulatoren, bereits vorhandene Lösungen komplexer Gleichungen zu reproduzieren. Dies ist wichtig, weil herkömmliche Computer mangels Rechenleistung nicht in der Lage sind, das Verhalten von komplexen Quantensystemen zu beschreiben. Das Grundkonzept für Quantensimulationen in Systemen mit optischen Gittern stammt aus Innsbruck: Peter Zoller und sein Team formulierten diese Idee erstmals 1998 in einem international viel beachteten Beitrag, der heute in vielen Labors der Welt verfolgt wird.
Heuer haben Wissenschaftler um Peter Zoller vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sowie Hans Peter Büchler von der Universität Stuttgart erstmals einen neuartigen Quantensimulator beschrieben, der besonders auf den experimentellen Fortschritten der letzten Jahre aufbaut. Um das Verhalten des zu simulierenden Systems nachzubilden, müssen die einzelnen Bauelemente des Quantensimulators genau kontrolliert werden. Mit ultrakalten Atomen in einem hochangeregten Rydberg-Zustand ist diese Kontrolle möglich. Um die gewünschten Eigenschaften des Quantensimulators herzustellen, nutzten die Theoretiker die starken Wechselwirkungen zwischen benachbarten Rydberg-Atomen. „Dieses Verfahren bringt uns dem Traum eines universellen Quantensimulators, der das Verhalten jedes beliebigen Quantensystems beschreiben kann, einen großen Schritt näher“, sagt der ehemals in Innsbruck tätige Hans Peter Büchler. Darüber hinaus konnte die Forschungsgruppe in der von Science nun hervorgehobenen Arbeit zeigen, dass sich diese Methode auch für ein neuartiges Kühlverfahren eignet.