Neue analoge Quantencomputer sollen bisher unlösbare Aufgaben lösen

Pysiker*innen der Universität Stanford und der Universität College Dublin haben eine neue Art von analogem Quantencomputer entwickelt. Dieser kann physikalische Probleme lösen, an denen selbst die rechenstärksten Supercomputer bisher scheiterten. 

Der hochspezialisierte Quantencomputer wird dabei zur Berechnung von quantenphysikalischen Prozessen eingesetzt. Dadurch könnten etwa supraleitende Materialien näher erforscht werden. Bei diesen Materialien geht der elektrische Widerstand beim Unterschreiten einer gewissen Temperatur praktisch gegen 0, was für verschiedene Anwendungen nützlich ist. So werden Supraleiter etwa in medizinischen MRT-Maschinen eingesetzt, kommen bei Magnetschwebebahnen zum Einsatz oder werden auch in den Forschungsreaktoren für die Kernfusion verwendet.

Computer für hochkomplexe Berechnungen 

Das Problem hierbei ist, dass Supraleiter extrem niedrige Temperaturen voraussetzen. Ein Material, das bei Raumtemperatur supraleitend ist, ist so etwas wie der heilige Gral der Physik. Solche Materialien zu berechnen, ist jedoch schwierig. "Einige Probleme sind für herkömmliche Rechner einfach zu komplex", sagt Co-Autor Andrew Mitchell gegenüber Phys.org. Die Berechnung komplexer Quantenmaterialien wie Supraleiter brauche deutlich mehr Rechenleistung und Speicherplatz, als moderne Maschinen zur Verfügung stellen können.

"Wir erstellen mathematische Modelle, von denen wir hoffen, dass sie den Kern eines Phänomens erfassen. Aber wenn wir glauben, dass sie korrekt sind, sind sie oft nicht in angemessener Zeit lösbar", erklärt Studienleiter David Goldhaber-Gordon. Das Team rund um Goldhaber-Gordon baute daher einen sogenannten Quantensimulator. Dieser analoge Quantencomputer sei in der Lage, maßgeschneiderte Quantenprobleme zu lösen.

Jede Berechnung benötigt eigenen Simulator

Im Gegensatz zu digitalen Computern, die Zahlen manipulieren, erscheinen bei analogen Computern Zahlen durch die Messung physikalischer Parameter. Analoge Quantencomputer sind dabei weniger fehleranfällig als ihre digitalen Ausführungen, aber auch weniger flexibel.

Für jedes Problem muss so eine eigene Art von Hardware gebaut werden, die genau auf das Modell ausgerichtet ist. Der Quantensimulator enthält dabei Schaltkreise mit Quotenkomponenten. So wurden in einem Versuch etwa 2 Komponenten so miteinander gekoppelt, dass sie das Modell zweier Atome darstellten, die durch eine bestimmte Quanteninteraktion verbunden sind.

Z₃ Parafermion im Labor hergestellt

Durch das Verändern der elektrischen Spannung an den Komponenten konnten die Forscher*innen eine neue Art von Materie generieren, bei der die Elektronen nur ein Drittel ihrer elektrischen Ladung besitzen. So ein "Z₃ Parafermion" könnte in der Theorie als Grundlage für Quantenberechnungen dienen. Bisher gelang es Forscher*innen aber nicht, sie im Labor herzustellen.

In Zukunft sollen Quantensimulatoren nicht nur aus 2, sondern aus mehreren Komponenten bestehen. Dadurch können komplexere Modelle berechnet werden, die "der erste Schritt sein könnten, um die Mysterien des Quantenuniversums zu entwirren", wie Mitchell hofft.