Digitale Quantensimulation Mit Quantencomputern die Physik erklären

Mit digitaler Quantensimulation können Probleme der Festkörperforschung gelöst werden, zum Beispiel Leitfähigkeit, Magnetismus oder Supraleitung. Voraussetzung ist ein Quantencomputer, der die Simulationen durchführt. Juniorprofessor Benedikt Fauseweh vom DLR-Institut für Softwaretechnologie hat Anwendungsfälle analysiert.

Alle Gegenstände bestehen aus Atomen, die sich aus Elektronen sowie aus Protonen und Neutronen im Atomkern zusammensetzen. In dieser Welt des Allerkleinsten – den Quanten – angekommen, wird es sehr schnell sehr kompliziert. Wenn Forscher genau wissen wollen, wie Atome zusammenhängen und feste Gegenstände bilden, stossen sie an Grenzen: Kein Computer ist stark genug, um Materialeigenschaften exakt zu berechnen, wenn viele unterschiedliche Atome beteiligt sind. Ein Wissenschaftler aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat jetzt einen Weg analysiert, wie das gelingen kann: digitale Quantensimulation. Dazu braucht es einen Quantencomputer mit zunächst nur wenigen funktionierenden Rechen- und Speichereinheiten. Dieser Quantencomputer könnte schon Fragen aus der Materialforschung beantworten. Und sich letztlich sogar selbst verbessern.

«Im Gegensatz zu Problemen, die allein mit erhöhter Rechenleistung gelöst werden, übersteigt die Komplexität von Quantensystemen die Möglichkeiten aller heute kombiniert verfügbaren Supercomputer. Das bedeutet, dass wir nicht in der Lage sind, Erklärungen für Phänomene aus der Quantenwelt zu finden. Dazu gehören Leitfähigkeit, Magnetismus oder Supraleitung», sagt Juniorprofessor Benedikt Fauseweh vom DLR-Institut für Softwaretechnologie. «Dabei ist die Quantenphysik grundlegend für das Verständnis unserer Welt, gerade in der Festkörperphysik.» In Festkörpern sind Atome oder Moleküle so eng beieinander, dass sie sich kaum bewegen. Metalle, Halbleiter, Keramiken und viele Kunststoffe sind Festkörper.

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Visionäre Idee aus dem Jahr 1982 – aber noch machen Quantencomputer Fehler

Das Konzept, Quantenphänomene auf einem Quantencomputer zu simulieren, ist schon mehr als 40 Jahre alt. Der US-amerikanische Physiker Richard Feynman (1918 bis 1988) schlug 1982 vor, die Prinzipien der Quantenmechanik selbst zu nutzen, um das Verhalten von Quantensystemen zu simulieren. «Die Entwicklung moderner Quantencomputer rückt Feynmans visionäre Idee näher an die Verwirklichung. Natürlich bleibt es ein Traum aller Physikerinnen und Physiker, die gesamte Natur in ihrer vollen Komplexität zu beschreiben», sagt Benedikt Fauseweh. Aber so weit ist es noch nicht: Quantencomputer machen (noch) Fehler bei komplexen Berechnungen, weil ihre Qubits (Rechen- und Speichereinheiten) nicht stabil sind oder nicht kontrolliert werden können. Die Ergebnisse sind dann falsch. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler suchen Wege, um anspruchsvolle Simulationen trotzdem auf Quantencomputern laufen zu lassen.

Hohe Anzahl von Qubits nicht erforderlich

Das hat Benedikt Fauseweh jetzt im Wissenschaftsmagazin «Nature Communications» beschrieben und weltweite Forschungs­ergebnisse einbezogen. Seine Analyse zeigt, dass für die Berechnung von komplexen Quantensystemen nicht zwangsläufig eine hohe Anzahl von Qubits notwendig ist: «Benutzen wir zu viele Qubits, sind die Ergebnisse aufgrund der Fehler im Quantencomputer nicht mehr brauchbar», erläutert Benedikt Fauseweh. «Wir müssen genau die Anwendungen identifizieren, die auch bei Fehlern im Quantencomputer noch ein richtiges Ergebnis liefern.» Also Qualität vor Quantität. Mit digitalen Quantensimulationen könnten bald Rätsel der Festkörperforschung gelöst werden: Warum verhindern Wechselwirkungen zwischen vielen Teilchen ihre Bewegung in Festkörpern? Warum also heizen sich zum Beispiel einige Materialien in einem magnetischen Feld nicht wie erwartet auf? Wie verändern Materialien ihre Eigenschaften, wenn sie mit Laser beschossen werden? «Spannend ist auch, dass wir Quantencomputer in der Materialforschung benutzen können, um Quantencomputer selbst besser zu machen.»

Unterschiedliche Technologien für Quantencomputer ergänzen sich dabei durchaus. Photonische Quantencomputer oder Quantencomputer mit Neutralatomen wären dann zum Beispiel für einige Anwendungsfälle besonders geeignet. Quantencomputer mit Ionenfallen, mit Stickstoff-Fehlstellen in Diamant oder weiteren Festkörper-Spins für andere. Diese Hardware-Technologien werden in der DLR-Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) entwickelt.

Analoge Simulationen stossen an Grenzen

In den letzten Jahrzehnten haben sich Forscher mit analogen Quantensimulationen beholfen. Sie haben eine Quantenplattform genutzt, die als Ersatz für das eigentliche System dient. Dabei wird das Verhalten der Ersatz-Quantenplattform so eingestellt, dass es dem des zu untersuchenden Systems entspricht. Immerhin konnten so Quantensysteme simuliert werden, an denen Supercomputer schon gescheitert sind – und eine Quantenüberlegenheit wurde sichtbar. Analoge Quantensimulation ist bisher eine typische Methode. «Sie hat aber den Nachteil, dass diese Maschinen nicht flexibel sind. Sie können nur eine Art von Simulationen machen», sagt Benedikt Fauseweh. «Die Universalität eines digitalen Quantencomputers – das ist das, was wir möchten. Das ist der wichtigste Vorteil, den wir uns von den verschiedenen Ansätzen versprechen.»

Forschungsziel Dekarbonisierung

Fliegendes Wasserstofflabor

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