Die Quantenwelt mit ihren eigenen Waffen erobern: Die erste Teilchen-Simulation auf einem Quantencomputer?

tl;dr Forscher aus Innsbruck haben ein kleines Quantensystem aus vier Kalziumionen verwendet, um in einer extrem vereinfachten Version der Quantenelektrodynamik die spontane Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen zu simulieren.

Während alle geduldig darauf warten, auf der ICHEP-Konferenz im August davon enttäuscht zu werden, dass es doch kein neues Teilchen der Masse 750 GeV gibt welches die Physik revolutioniert hätte, und während der LHC weiter mit Rekordgeschwindigkeit neue Daten sammelt, passieren noch andere spannende Dinge im Dunstkreis der Teilchen- und Hochenergiephysik.

Seit ein paar Tagen macht beispielsweise diese Veröffentlichung in Nature die Runde, in der von der ersten Simulation von Elementarteilchen-Prozessen auf einem Quantencomputer berichtet wird (hier ein frei verfügbarer Preprint, hier die Pressemeldung des Instituts für Quantenoptik).

Was hier simuliert wurde   Die Quantenelektrodynamik (QED) ist die nach wie vor gültige Quantentheorie des Lichts und der Materie, die schon 1949 durch Feynman, Schwinger und Tomonaga fertiggestellt wurde und einige der genauesten theoretischen Vorhersagen der Physik überhaupt gemacht hat. Eine der vielen erstaunlichen Vorhersagen dieser Theorie ist, dass in starken elektrischen Feldern spontan Paare von Teilchen und Antiteilchen entstehen können – das ist der sogenannte Schwinger-Mechanismus. Um diesen Prozess geht es hier.

Was sind Quantencomputer?  Die Welt der Atome und Elementarteilchen ist sehr anders als unsere Alltagswelt – Das Paradebeispiel ist die sogenannte Quantenüberlagerung, die Schrödinger zu seinem berühmten Gedankenexperiment inspirierte, in dem eine Katze im Überlagerungszustand von tot und lebendig zu existieren scheint.  Ein verwandtes, „Verschränkung“ genanntes Prinzip besagt, dass man den Zustand eines Teilchens in bestimmten Situationen nicht unabhängig von anderen Teilchen angeben kann, sondern nur für die Gruppe als Ganzes. So können Ansammlungen von Teilchen in viel komplexeren Beziehungen stehen, als man das naiv annehmen würde. Ein Quantencomputer ist ein Gerät, dass sich diese Komplexität der Quantenwelt direkt zunutze macht, um Berechnungen durchzuführen, die auf herkömmlichen Rechnern fast unmöglich wären oder Äonen dauern würden. Das ist verflixt schwierig, denn bei der kleinsten Störung von außen verpuffen diese bizarren Quantenphänomene schneller, als man Planck sagen kann (Stichwort: Dekohärenz). Deshalb steckt dieser Technologiezweig noch in den Kinderschuhen. Es gibt allerdings erste Erfolge zu vermelden.

Nachrichten von einem funktionierenden Quantencomputer lassen erstmal aufhorchen, sind aber bisher mit einer Prise Salz zu nehmen, denn die Bezeichnung wird für sehr unterschiedliche Systeme verwendet, die unterschiedliches können. Sogenannte „universelle Quantencomputer“, auf denen Programme wie der berühmte Algorithmus von Shor laufen, könnten einschneidende Auswirkungen auf unseren Alltag haben. Unter anderem könnten sie viele der von uns ständig im Internet und im Finanzverkehr verwendeten Verschlüsselungsmethoden knacken, und das würde ein gewaltiges Durcheinander nach sich ziehen. Die natürliche Reaktion auf so eine Meldung wäre daher, das Konto zu leeren, Konserven und Kerzen zu kaufen und die Fenster zu verriegeln.

Quanten gegen Quanten  Universelle Quantencomputer solcher Größenordnungen sind aber bis auf weiteres Zukunftsmusik. Das von den Forschern hier eingesetzte System ist kleiner und viel spezieller auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten: Es will einen bestimmten quantenphysikalischen Vorgang simulieren – das spontane Auftreten von Teilchen-Antiteilchen-Paaren in elektrischen Feldern.

Das ist erstmal einleuchtend: Warum nicht die Simulation eines quantenphysikalischen Vorgangs auf einer Versuchsanordnung laufen lassen, in der dieselben erstaunlichen Quantenphänomene am Werk sind und für uns arbeiten – man will quasi die Quantenwelt mit ihren eigenen Waffen erobern!

Eine große Herausforderung bei der Konstruktion von Quantencomputern liegt darin, möglichs viele Quanten-Bits gleichzeitig stabil zu betreiben. Ein Bit ist die kleinste konventionelle Speichereinheit und kann als Wert 1 oder 0 haben. Das Quanten-Bit oder Qubit kann darüber hinaus wie Schrödingers Katze in einem Überlagerungszustand von 1 und 0 sein. Die Innsbrucker Physiker Esteban Martinez, Christine Muschik und ihre Mitstreiter schafften es, eine Gruppe von vier dieser Qubits einzusetzen. Das sind viel weniger als die dutzenden bis hunderten Qubits, die man bräuchte, um verschlüsselte  Nachrichten zu knacken, aber man kann dennoch sehr interessante Dinge damit anstellen.

Aufgrund des vergleichsweise kleinen Aufbaus mit nur vier Qubits konnte hier nur eine stark vereinfachte Version der QED simuliert werden. Die größte Einschränkung bei dieser Simulation besteht darin, dass lediglich eine Raumdimension betrachtet wurde. Der Elektromagnetismus in einer Dimension unterscheidet sich dabei ziemlich von der realistischen Version – beispielsweise gibt es nur ein elektrisches Feld, aber kein davon getrenntes magnetisches.

Zudem wurde hier kein kontinuierlicher Raum simuliert, sondern eine Kette von vier Punkten, auf denen sich jeweils entweder ein Teilchen oder ein Antiteilchen befinden kann. Dieses vereinfachte Modell liefert natürlich keine realistische Beschreibung des Elektromagnetismus, ist aber trotzdem ein waschechtes Quantensystem. Hier ging es also noch nicht darum, schon konkrete Vorgänge in der Natur zu berechnen, sondern ein vereinfachte Version davon, um zu zeigen, dass solche Quantensimulationen im Prinzip machbar sind.

Wie simuliert wurde  In einer sogenannten Atomfalle wurden vier Kalziumionen durch Felder festgehalten. Jedes dieser Ionen steht in der Simulation für einen Raumpunkt, und die Ausrichtung ihrer Magnetfelder (ihrer Spins) steht in der Simulation dafür, ob der Raumpunkt leer ist oder mit einem Teilchen oder Antiteilchen besetzt ist. Zeigt es nach oben, ist ein Teilchen da, zeigt es nach unten, ist der simulierte Raumpunkt leer.

lin_quad_thompson_ucalgaryEine sogenannte Paul-Falle der Universität Calgary, in der geladene Teilchen wie Ionen durch elektrische Wechselfelder frei schwebend fixiert werden können (Quelle: Wikimedia).

Hat man es erstmal geschafft, eine Reihe dieser Ionen stabil in einer Atomfalle zu lagern, fängt der Spaß aber erst an: Man muss sie dazu bringen, sich gegenseitig gerade so zu beeinflussen, dass ihre Wechselwirkungen genau dem entsprechen, was man überhaupt simulieren will! Dass ein paar nebeneinander gelagerte Kalziumionen sich irgendwie so verhalten würden, dass das 1:1 einer vereinfachten Version der Quantenelektrodynamik entspricht, ist erstmal alles andere als offensichtlich. Die Forscher fanden aber ein Schema, wie man die Gleichungen der vereinfachten Quantenelektrodynamik so umschreiben kann, dass sie gerade wie jene Gleichungen aussehen, die beschreiben, wie sich die Spins von benachbarten Atomen beeinflussen . Damit hatten sie die nötige Übersetzungsvorschrift, um die Erzeugung von Teilchen-Antitteilchenpaaren anhand der gefangenen Ionen zu simulieren.

Damit gelang die Simulation tatsächlich: Die Forscher konnten in ihrem Modellsystem beobachten, wie – simulierte – Teilchen und Antiteilchen entstehen. Außerdem konnten sie den simulierten Teilchen verschiedene Massen geben und beobachten, wie sich das auf die Rate ihrer Erzeugung auswirkt.

Ausblick  Nachdem der Beweis erbracht ist, dass Quantensimulationen dieser Art funktionieren, würde man natürlich gerne zu realistischeren Szenarien übergehen –  drei Raumdimensionen wären erstrebenswert. Während physikalische Effekte in der Quantenelektrodynamik noch vergleichsweise gut anderweitig zu berechnen sind, gibt es auf dem Gebiet der Teilchenphysik noch eine härtere Nuss: Die starke Wechselwirkung, beschrieben durch die Quantenchromodynamik.

Beide Stoßrichtungen stellen riesige Herausforderungen an die QuantenmechanikerInnen dar – die Hinzunahme mehrerer Raumdimensionen vergrößert den Aufwand exponentiell, und die Struktur der starken Wechselwirkung mit ihren acht Gluonen, die alle miteinander interagieren, ist viel komplizierter als die Quantenelektrodynamik. Das anhand solcher Spins in eine Simulation umzusetzen, wird ein Kraftakt, und die entsprechenden Entwicklungen in den nächsten Jahren zu verfolgen, sicherlich ziemlich spannend.

 

 

 

 

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