Eichtheorien beschreiben die Wechselwirkung zwischen elementaren Teilchen, wie zum Beispiel Quarks und Gluonen, und sind die Basis für ein Verständnis von fundamentalen Prozessen in der Physik. Allerdings sind dynamische Prozesse wie die Kollision von Elementarteilchen oder die spontane Entstehung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren äußerst schwer zu behandeln und können mittels numerischen Berechnungen auf klassischen Computern kaum untersucht werden. Deshalb wurde vorgeschlagen, solche Prozesse in einem kontrollierten Quantensystem zu simulieren.

Simulation im Quantencomputer

Genau dies haben Forscher/innen der Universität Innsbruck und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation Innsbruck der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) vor einigen Monaten geschafft. Die Arbeitsgruppen um Rainer Blatt und Peter Zoller simulierten auf einem Quantencomputer die spontane Entstehung von Elektron-Positron-Paaren aus dem Vakuum. Die gemeinsame Arbeit der Physiker/innen, die 2016 im Journal „Nature“ publiziert wurde, ist nun vom britischen Fachmagazin „Physics World“ zu einem der zehn bedeutendsten Durchbrüche dieses Jahres in der Physik gekürt worden.

Brücke zwischen Hochenergie- und Atomphysik

„Dies ist eines der komplexesten Experimente, das bisher in einem Ionenfallen-Quantencomputer durchgeführt wurde“, freut sich Rainer Blatt über die Anerkennung. „Wir lernen gerade erst, wie diese Quantensimulationen funktionieren und werden sie nach und nach auch auf größere Fragestellungen anwenden können.“ Die Wissenschaftler/innen schlagen mit dem Experiment eine Brücke zwischen zwei Teilgebieten der Physik: Es werden hier Probleme der Hochenergiephysik mit Methoden aus der Atomphysik studiert. „Diese beiden Zugänge ergänzen sich perfekt“, sagt Theoretiker Peter Zoller. „Wir können Experimente in Teilchenbeschleunigern nicht ersetzen. Mit der Entwicklung von Quantensimulatoren lassen sich diese Experimente aber möglicherweise einmal besser verstehen.“

„Physics World“ ist die Mitgliederzeitschrift des britischen Institute of Physics. Das Magazin kürt seit 2009 jedes Jahr die wichtigsten Durchbrüche in der Physik und orientiert sich dabei an der grundlegenden Bedeutung für das Fach, dem Beitrag zur Erkenntnis, der starken Verbindung zwischen Theorie und Experiment sowie dem generellen Interesse für alle Physiker/innen.