Physiker lösen Problem mit Hilfe von Quanten-Computer der TU Dortmund

Quanten-Computer sind wesentlich schneller und leistungsfähiger als klassische Computer. Sie ermöglichen es, komplexe Systeme mit zahlreichen Komponenten zu simulieren und Vorgänge zu analysieren, die sich darin abspielen.

Den Physikerinnen und Physikern an der TU Dortmund steht ein Quanten-Computer für ihre Forschungsarbeit zur Verfügung, der größtenteils von ihnen selbst gebaut wurde. Diesen haben Prof. Dieter Suter von der TU Dortmund, Dr. Gonzalo Agustin Alvarez vom Weizmann Institute of Science in Israel und Dr. Robin Kaiser vom Institut Non Linéaire de Nice in Frankreich genutzt, um ein Problem zu lösen, auf das Philip Warren Anderson, Physik-Nobelpreisträger von 1977, in den 1950er-Jahren gestoßen ist.

Anderson untersuchte damals die Leitfähigkeit in verschiedenen verunreinigten Materialien. Er erforschte das damals bereits bekannte Phänomen, dass die Leitfähigkeit mit wachsender Verunreinigung des Materials abnimmt beziehungsweise irgendwann nicht mehr vorhanden ist. Allerdings war es ihm nicht möglich, exakt den Punkt zu ermitteln, an dem dies eintritt.

Dieser Fragestellung haben sich nun die Wissenschaftler der TU Dortmund gewidmet. Sie haben simuliert, wie sich ein Quantensystem verhält, wenn es in ein starkes statisches Magnetfeld gebracht wird. Zunächst konnten sie beobachten, dass die enthaltenen Teilchen immer stärker miteinander interagierten und das Quantensystem stetig größer wurde.

„Das System verhält sich in etwa so wie Tinte, die sich in klarem Wasser nach und nach ausbreitet“, erklärt Prof. Dieter Suter. Um das System näher zu analysieren, simulierten sie verschiedene Störungen, mit denen sie das System konfrontierten.

Hierbei beobachteten sie, dass sich das System ab einem bestimmten Störungsgrad nicht mehr ausbreitet, sondern zum Stillstand kommt. Diesen sogenannten Phasenübergang konnten die Wissenschaftler mit Hilfe des Quanten-Computers simulieren und so genau festlegen, ab welcher Störungsstärke er sich einstellt.

„Mit der Technik, die ihm damals zur Verfügung stand, konnte Anderson das Problem nicht so ausführlich erforschen wie wir heute“, sagt Prof. Dieter Suter. Er und seine Kollegen haben für ihre Arbeit ein System mit 7000 physikalischen Teilchen simuliert – so war es möglich, den Phasenübergang gut erkennbar zu machen. Mit einem normalen Computer von heute wäre in derselben Zeit lediglich die Simulation eines Systems möglich, das sich nur aus rund 20 Teilchen zusammensetzt.

http://www.sciencemag.org/content/349/6250/846.full.pdf