Lautlos schwebt ein Hochtemperatur-Supraleiter über einen Magneten. Das Bild ist bekannt und auch gewiefte theoretische Modelle lassen sich dazu kreieren. Nur lösen lassen sie sich auf einem klassischen Computer nicht. Denn die Rechenkapazitäten selbst der schnellsten Super-Computer der Welt reichen nicht aus, um komplexe Quanten-Phänomene wie jenes der Supraleitung auch nur annähernd zu simulieren.

Der Grund dafür ist, dass in der Quantenwelt der Zufall regiert. Quantensysteme haben zwar wie Systeme der klassischen Physik messbare Eigenschaften. Nur lassen sich diese nicht so leicht fassen. Weil Quantensysteme halten bis zur Messung alle Zustände, die sie einnehmen könnten, gleichzeitig in petto. Was es dann wirklich wird, entscheidet der Zufall im Augenblick der Messung.

Dass der Rechenaufwand zur Beschreibung solcher Systeme immens ist, liegt auf der Hand. Denn für jedes Teilchen eines solchen Systems gilt es nicht nur einen, sondern alle möglichen Zustände im Modell zu berücksichtigen. "Wenn man zum Beispiel ein quantenmechanisches Modell mit 300 Teilchen simulieren will, dann braucht man einen Computer, der zwei hoch 300 Zahlen speichern kann. Das entspricht der Zahl der Atome im sichtbaren Universum", sagt Peter Zoller, Direktor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW.

Gleiches mit Gleichem simulieren

Ein Ausweg aus dem Dilemma ist der Quantensimulator. Denn im Gegensatz zum herkömmlichen Computer ist er selbst ein quantenmechanisches System und kann mehrere Zustände gleichzeitig simulieren.

Bereits 1998 entwickelten Zoller und sein Team einen Ansatz, wie sich ein solcher Quantensimulator realisieren lässt, der seither in vielen Labors weltweit verfolgt wird. Die Idee: In einem optischen Gitter, also einem Gitter aus Licht, werden Atome eingefangen und kontrolliert dazu gebracht, miteinander in Wechselwirkung zu treten.

Diese Kontrolle zu erreichen, ist in einer Welt des Zufalls naturgemäß eine große Herausforderung. Zunächst werden die Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, also nahe minus 273,15 Grad Celsius, abgekühlt. Bei diesen Temperaturen verhalten sich Atome nahezu identisch und versammeln sich in einem gemeinsamen Zustand (siehe auch Atome unter Kontrolle bringen ). Dann werden die Atome in das Lichtgitter eingebracht. Erhöht man nun die Stärke des Lichtgitters beginnen die Atome sich in den einzelnen Gitterplätzen zu sammeln. Dabei gilt: je stärker das Licht, desto strikter die Trennung und desto größer die Kontrolle. Im optimalen Fall sitzt jedes Atom an einem eigenen Gitterplatz.

Doch wie sollen derart getrennte Atome nun miteinander interagieren? 2010 konnten Forscher um Peter Zoller in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Stuttgart zeigen, wie sich das bewerkstelligen lässt. Es gilt ultrakalte Atome in einen so genannten Rydberg-Zustand zu versetzen. Dafür regt man ein Elektron auf der äußeren Umlaufbahn um den Atomkern so stark an, dass es in eine weiter entfernte Umlaufbahn wandert. Solche Rydberg-Atome treten miteinander in starke Wechselwirkungen, auch wenn sie mehrere Mikrometer voneinander entfernt sind und sich nicht berühren.

Vom konkreten zum universellen Quantensimulator

Für konkrete Quantensysteme werden bereits Quantensimulationen erfolgreich durchgeführt. So gelang 2010 der Gruppe um Rainer Blatt, ebenfalls Direktor am IQOQI, in einem Experiment mit gespeicherten Ionen die Quantensimulation eines relativistischen Teilchens, also eines Teilchens, das sich mit extrem hoher Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Der Theorie zufolge sollten derartige Teilchen bei ihrer Bewegung durch den Raum leicht zittern. In der Natur beobachtet werden, konnte dieses Phänomen bisher nicht. Doch den Innsbrucker Physikern gelang es, das Phänomen in der Simulation nachzuweisen. Dazu haben sie ein Kalziumatom in einer Ionenfalle gefangen und mit Lasern stark abgekühlt. Dann wurden dem Teilchen ebenfalls mit Lasern die Eigenschaften des zu simulierenden relativistischen Teilchens eingeschrieben. "Das Quantensystem verhielt sich genau so wie ein freies, relativistisches Teilchen und zeigte die vorausgesagte Zitterbewegung", so Blatt.

Der von Peter Zoller und seinen Kollegen vorgeschlagene Quantensimulator ist ein großer Schritt in Richtung eines universellen Quantensimulators und lässt sich mit heutiger Technik realisieren. Aber auch andere machten im vergangenen Jahr große Fortschritte. Gleich mehreren Forschungsgruppen gelang es, bereits vorhandene Lösungen komplexer Gleichungen zu reproduzieren. Ein Erfolg, der großes Echo fand: Er veranlasste das renommierte Wissenschaftsmagazin "Science" sogar die Fortschritte bei der Realisierung von Quantensimulatoren zu einem der Durchbrüche des Jahres 2010 zu küren.

Und die Entwicklung schreitet mit großen Schritten voran: Im Februar 2011 präsentierten Nachwuchsforscher um Rainer Blatt und Peter Zoller im Wissenschaftsmagazin "Nature" erstmals die Grundbausteine eines offenen Quantensimulators, bei dem die kontrollierte Anbindung an die Umgebung nutzbringend eingesetzt wird. Damit können in Zukunft größere Quantensimulatoren zur Erforschung bisher experimentell kaum zugänglichen Systemen konstruiert werden.

Blick in die Zukunft

Will man Quantenphänomen auf den Grund gehen, braucht man die Hilfe von Quantensimulatoren. Welche Bedeutung sie haben, zeigt ein Blick auf das Anwendungspotenzial des eingangs erwähnten Quantenphänomens Supraleitung. Supraleiter leiten Strom ohne Widerstand. Bereits jetzt werden sie vom Kernspintomographen bis zum Teilchenbeschleuniger vielfältig eingesetzt. Doch noch braucht man für deren Einsatz entweder sehr niedrige Temperaturen oder die Supraleiter müssen aus keramischen Materialien sein, die aber leicht brechen. Ließen sich Supraleiter bei Zimmertemperaturen herstellen, wären noch ganz andere Einsatzmöglichkeiten denkbar: der verlustfreie Transport von Strom, der eine immense Energieersparnis bedeuten würde, - und natürlich die supraleitende Magnetschwebebahn, die nicht nur als Model, sondern als Bahn der Zukunft durch die Landschaft gleitet.

• Quantensimulation Durchbruch des Jahres
• Quantum simulation of unique many-body phenomena
• A Rydberg Quantum Simulator
• Quantensimulation eines relativistischen Teilchens
• Quantensimulator öffnet sich der Welt

Kontakt:
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI)
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Otto-Hittmair-Platz 1, 6020 Innsbruck
www.iqoqi.at

Prof. Dr. Rainer Blatt
T +43 512 507-4720
rainer.blatt[at]oeaw.ac.at

Prof. Dr. Peter Zoller
T +43 512 507-4780
peter.zoller[at]oeaw.ac.at


Februar 2011