Fortschritte bei der Realisierung von Quantensimulatoren sind von der Fachzeitschrift Science zu einem der wissenschaftlichen Durchbrüche des Jahres 2010 gekürt worden. Hervorgehoben werden dabei auch Beiträge von Forschern der Universität Stuttgart: Das Team um den theoretischen Physiker Prof. Hans Peter Büchler hat in diesem Jahr einen Quantensimulator beschrieben, der mit heutiger Technik realisierbar ist.
Die internationalen Wissenschaftsmagazine bestimmen jedes Jahr die bedeutendsten
wissenschaftlichen Erfolge des abgelaufenen Jahres. So auch die Fachzeitschrift Science, die in
ihrer aktuellen Ausgabe zehn besonders wichtige Entdeckungen auflistet. Neben der Bestimmung des
Neandertaler-Genoms oder Erfolgen bei der Aids-Prophylaxe wurden auch zwei Fortschritte aus der
Quantenphysik in die Liste aufgenommen: Der Bau der ersten Quantenmaschine, einem makroskopischen
Objekt, das in einen Zustand der Überlagerung gebracht wurde, sowie der erfolgreiche Test der
ersten Quantensimulatoren. Diese Arbeiten gehen zurück auf eine berühmte Idee des Nobelpreisträgers
Richard Feynman. Er erkannte, dass herkömmliche Computer mangels Rechenleistung niemals in der Lage
sein werden, das Verhalten von komplexen Quantensystemen zu berechnen.
Feynman schlug daher vor, ein anderes Quatensystem als Quantensimulator zu
verwenden. Damit dieser Ansatz funktioniert, müssen die einzelnen Bauelemente des Quantensimulators
genau kontrolliert werden, um das Verhalten des zu simulierenden Systems nachzubilden.
In diesem Jahr gelang es mehreren Forschungsgruppen, mit solchen
Quantensimulatoren bereits vorhandene Lösungen komplexer Quantensysteme zu reproduzieren. In der
von Science nun hervorgehobenen Arbeit haben das Team um Hans Peter Büchler in Zusammenarbeit mit
Peter Zoller vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck erstmals einen
neuartigen Quantensimulator beschrieben, der besonders auf den experimentellen Fortschritten der
letzten Jahre aufbaut. Um das Verhalten des zu simulierenden Systems nachzubilden, müssen die
einzelnen Bauelemente des Quantensimulators genau kontrolliert werden. Mit ultrakalten Atomen, die
in einem optischen Gitter gefangen sind und durch resonantes Licht in einem hochangeregten
Rydberg-Zustand angeregt werden, ist diese Kontrolle möglich.
Um die gewünschten Eigenschaften des Quantensimulators herzustellen, nutzten die
Theoretiker die starken Wechselwirkungen zwischen benachbarten Rydberg-Atomen. „Dieses Verfahren
bringt uns dem Traum eines universellen Quantensimulators, der das Verhalten jedes beliebigen
Quantensystems beschreiben kann, einen großen Schritt näher“, so Büchler über die
Wandlungsfähigkeit der Rydberg-Atome.
Die Arbeit entstand im Rahmen des transregionalen Sonderforschungsbereichs
SFB/TRR 21 (Control of quantum correlations in tailored matter) und wurde von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft DFG und dem österreichischen Wissenschaftsfonds FWF unterstützt.
Weitere Informationen bei Prof. Hans Peter Büchler, Institut für Theoretische Physik III, Tel.
0711/685-65201,
e-mail: buechler@theo3.physik.uni-stuttgart.de
e-mail: buechler@theo3.physik.uni-stuttgart.de
Originalbeiträge:
News Focus, Science 17, 1605-1607
(2010)
http://www.sciencemag.org/site/special/insights2010/
Hendrik Weimer, Markus Müller, Igor Lesanovsky, Peter Zoller, Hans Peter Büchler.
A Rydberg Quantum Simulator, Nature Physics 6, 382 (2010)
http://www.nature.com/nphys/journal/v6/n5/abs/nphys1614.html