Ein schnellerer Weg zu tiefsten Temperaturen

Die Quantentechnologie hat das Potential, revolutionäre technische Anwendungen zu ermöglichen. Komplexe Quantensysteme lassen sich mit herkömmlichen Computern allerdings kaum berechnen.

Phänomene wie Superposition und Verschränkung führen zu einer exponentiell ansteigenden Zahl an Rechenschritten, so dass selbst moderne Supercomputer mehrere Jahre beschäftigt wären.

Abhilfe kann die so genannte Quantensimulation schaffen. Da ein Quantensimulator selbst ein Quantensystem ist, kann dieser die gleiche exponentielle Komplexität für Berechnungen nutzen und damit die Eigenschaften anderer Quantensysteme effizient berechnen.

Quantenzustände zu erzeugen und zu kontrollieren, die für Simulation interessant sind, ist bislang dennoch schwierig. Ein Team von Physikerinnen und Physiker um Hendrik Weimer vom Institut für Theoretische Physik der Leibniz Universität Hannover hat nun einen neuen Ansatz präsentiert, mit dem geeignete Ausgangszustände deutlich einfacher realisiert werden können.

Sie stellen in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science Advances ein allgemeines Kühlsystem für stark korrelierte Quantensysteme vor.

Typischerweise findet man die interessanten Quantenzustände in solchen stark korrelierten Systemen bei extrem niedrigen Temperaturen nah am absoluten Nullpunkt. Der Kühlprozess ist – insbesondere bei Mehrteilchen-Quantensystemen – aufwändig, schwer zu kontrollieren und erfordert zudem beachtliche Ressourcen.

Für ihr neues Verfahren haben Weimer und sein Team den Quantensimulator nun so an ein Hilfsteilchen gekoppelt, dass Energie zwischen beiden ausgetauscht werden kann. Das einzelne Hilfsteilchen können die Forscherinnen und Forscher sehr viel leichter kontrollieren und ihm Energie entziehen – es also abkühlen.

Der Energieverlust wird über die Kopplung durch den Quantensimulator ausgeglichen, wodurch dieser selbst immer weiter abkühlt. Über dieses Verfahren der dissipativen Kühlung kann der Quantensimulator auf eine Temperatur von nur wenigen Nanokelvin gebracht werden.

„Der große Vorteil unseres Verfahren ist, dass statt eines kompletten Systems nur noch ein einzelnes Teilchen gekühlt werden muss“, erläutert Hendrik Weimer. Er und sein Team konnten zeigen, dass dies effizient und mit vergleichsweise geringem apparativem Aufwand möglich ist. Neue Quantensimulationen können damit leichter präpariert und kontrolliert werden – das gilt insbesondere für stark korrelierte Systeme. So könnten etwa interessante Materialien wie beispielsweise Hochtemperatur-Supraleiter in Zukunft einfacher auf Quantensimulatoren berechnet werden.

Die Veröffentlichung entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereiches DQ-mat und wurde zusätzlich von der VolkswagenStiftung gefördert. Im Sonderforschungsbereich DQ-mat untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und des Zentrums für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation in Bremen gemeinsam, wie komplexe Quantensysteme kontrolliert werden können, um Anwendung in der Metrologie zu ermöglichen.

Originalartikel
Initialization of Quantum Simulators by Sympathetic Cooling
Meghana Raghunandan, Fabian Wolf, Christian Ospelkaus, Piet O. Schmidt and Hendrik Weimer
Science Advances 6, eaaw9268 (2020).
https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aaw9268

Hinweis an die Redaktion:
Für weitere Informationen steht Ihnen PD. Dr. Hendrik Weimer, Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 511 762 17344 oder per E-Mail unter hweimer@itp.uni-hannover.de gern zur Verfügung.