Das Standardmodell der Teilchenphysik liefert die bisher beste Beschreibung der Kräfte und Teilchen, aus denen sich unsere Welt zusammensetzt. In diesem Modell werden alle Vorgänge durch wechselwirkende Felder beschrieben, die den gesamten Raum durchsetzen. Man spricht von einer Quantenfeldtheorie, in der quantenmechanische Teilchen und Kräfte als Anregungen des Feldes auftreten.
Die Studie solcher Feldtheorien stützt sich nicht nur auf Teilchenbeschleuniger, sondern insbesondere auf komplexe Computersimulationen. In vielen Fällen übersteigen die notwendigen quantenmechanischen Berechnungen jedoch die Möglichkeiten unserer besten Supercomputer. So bleiben uns wichtige Bausteine im Verständnis unserer Welt verschlossen.
Das Team um Martin Ringbauer vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und Christine Muschik von der University of Waterloo, Kanada, berichtet nun in der Fachzeitschrift Nature Physics, wie es ihnen gelungen ist, eine komplette Quantenfeldtheorie in zwei Raumrichtungen auf einem neuartigen Quantencomputer nachzubilden.
Natürliche Darstellung von Quantenfeldern
Die für unser tägliches Leben wohl relevanteste Feldtheorie ist die Quantenelektrodynamik. Sie beschreibt die Phänomene des Elektromagnetismus von Strom und Licht bis zu den Kräften, die Materie zusammenhalten. Die große Herausforderung in Computersimulationen einer solchen Theorie ist jedoch die quantenmechanische Darstellung des elektrischen Feldes. Das Feld kann verschiedene Stärken und Richtungen annehmen und lässt sich deshalb nicht einfach in die bitweise Darstellung unserer Computer übersetzen.
Doch Quantencomputer auf der Basis von gespeicherten Ionen sind auch nicht an die binäre Arbeitsweise gebunden. Ein solcher Quantencomputer auf Basis von Qudits, statt Qubits, bietet die idealen Voraussetzungen für Berechnungen in der Teilchenphysik. „Unser Ansatz ermöglicht eine natürliche Darstellung von Feldern, wie sie auch in der Natur vorkommt”, sagt Michael Meth, Erstautor der Studie. „Damit vereinfacht sich das Problem deutlich.” In einem Experiment konnten die Forscher nun fundamentale Prozesse der Quantenelektrodynamik beobachten.
Großes Potential für die Teilchenphysik
Bereits 2016 wurde in Innsbruck die Bildung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren gezeigt. „Damals arbeiteten wir in einem eindimensionalen Raum, wo die Felder nicht explizit simuliert werden müssen”, erklärt Christine Muschik. Nun stellt das Team die erste Simulation in zwei Raumdimensionen vor. „Neben der Paarbildung sehen wir auch ein sich aufbauendes Magnetfeld, und so etwas gibt es in einer Dimension nicht”, so Muschik.
Die vorgestellte Arbeit über Quantenelektrodynamik ist erst der Anfang. Mit nur einigen Qudits mehr ist es möglich, nicht nur drei Raumdimensionen zu simulieren, sondern bis in den Raum der starken Wechselwirkung vorzudringen, wo Teilchen eine Farbe tragen und nur in Gruppen auftreten können. Der Grund und die Konsequenzen davon sind bis heute ein Rätsel. „Quantencomputer geben uns ein neues Fenster in die Welt der Elementarteilchen”, sagt Martin Ringbauer. „Mit dem Qudit-Ansatz sind diese Systeme maßgeschneidert, um faszinierende offene Fragen in der Teilchenphysik zu untersuchen.”
Die Forschungen wurden unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, dem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung, der Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG, sowie der Europäischen Union finanziell unterstützt.
Publikation: Simulating two-dimensional lattice gauge theories on a qudit quantum computer. Michael Meth, Jan F. Haase, Jinglei Zhang, Claire Edmunds, Lukas Postler, Alex Steiner, Andrew J. Jena, Luca Dellantonio, Rainer Blatt, Peter Zoller, Thomas Monz, Philipp Schindler, Christine Muschik, and Martin Ringbauer. Nature Physics 2025. DOI: 10.1038/s41567-025-02797-w [arXiv: 2310.12110]
