Einer internationalen Forschungsgruppe der Universitäten Stuttgart, Innsbruck und Nottingham ist es erstmals gelungen, einen Quantensimulator zu beschreiben, der mit heutiger Technik realisierbar ist. Ihre Ergebnisse präsentieren die Theoretischen Physiker um Hendrik Weimer und Hans Peter Büchler aus Stuttgart sowie Peter Zoller aus Innsbruck in der Fachzeitschrift Nature Physics [1].

Die Arbeit geht 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. So braucht die Beschreibung eines beliebigen Zustandes von 300 Teilchen mit einem quantenmechanischen Spin auf einem Computer bereits mehrSpeicherplatz als selbst bei Verarbeitung aller Materie im sichtbaren Universum zu Speichermedien verfügbar wäre. Feynman schlug daher vor, ein anderes Quantensystem 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.

Den Wissenschaftlern unter der Leitung von Hans Peter Büchler und Peter Zoller ist es nun gelungen zu zeigen, dass diese Kontrolle mit ultrakalten Atomen in einem hochangeregten Rydberg-Zustand möglich ist. Dabei nutzten sie die starken Wechselwirkungen zwischen benachbarten Rydberg-Atomen, um die gewünschten Eigenschaften des Quantensimulators herzustellen. „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.

Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sich die Methode für ein neuartiges Kühlverfahren eignet. Damit können exotische Materiezustände erzeugt werden, wie beispielsweise Spin-Flüssigkeiten, die selbst bei extrem niedrigen Temperaturen keine magnetische Ordnung zeigen. Von dem Studium solcher Systeme erhoffen sich Physiker neue Erkenntnisse über quantenmechanische Vielteilchen-Systeme, die Anwendungen in der Festkörperphysik finden können.

Quelle: Universität Stuttgart