Quantencomputer im Einsatz: Durchbruch in der Materialforschung und Verbesserung von Quantenspeichergeräten

Seit langer Zeit verfolgen Physikerinnen und Physiker die Vorstellung, dass ein Computer, der aus Quantenteilchen besteht, komplexe Probleme der Materialforschung lösen kann. Gemeinsam mit Kollegen aus Slowenien ist es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich nun gelungen, genau dies zu erreichen. Sie konnten nachweisen, dass die Verbindungen zwischen den Qubits in einem Quantenannealer direkt die Wechselwirkungen von Elektronen in einem tatsächlich existierenden Quantenmaterial abbilden. Das Ergebnis stellt einen bedeutsamen Fortschritt dar und demonstriert die praktische Anwendbarkeit eines Quantenannealers zur Lösung von Problemen in der Materialwissenschaft.

Zusätzlich dazu haben die Forschenden Faktoren identifiziert, die die Energieeffizienz und Langlebigkeit von Quantenspeichergeräten verbessern können. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications publiziert.

In den frühen 1980er Jahren stellte Richard Feynman die Frage auf, ob es möglich sei, die Natur genau mit einem herkömmlichen Computer zu modellieren. Er antwortete mit einem klaren Nein. Die Welt besteht im Innersten aus grundlegenden Teilchen, die durch die Prinzipien der Quantenphysik beschrieben werden. Selbst die leistungsfähigsten Supercomputer stoßen an ihre Grenzen, wenn es um das exponentielle Wachstum der Anforderungen für Berechnungen geht. Statt dessen schlug Feynman vor, einen Computer zu nutzen, der aus Quantenteilchen besteht. Dank seiner Vision wird Feynman von vielen als Pionier des Quantencomputers angesehen.

Gemeinsam mit Forschern aus slowenischen Institutionen haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich nun demonstriert, dass sich diese Vision tatsächlich in der Praxis umsetzen lässt. Der Anwendungsfall, den sie untersucht haben, ist ein Vielteilchensystem. Solche Systeme erfassen das Verhalten einer umfangreichen Anzahl von Teilchen, die miteinander interagieren. In der Quantenphysik tragen sie dazu bei, Phänomene wie Supraleitung oder Quantenphasenübergänge bei extrem niedrigen Temperaturen zu erklären. Anstelle von thermischen Fluktuationen treten bei einer Temperatur von 0 Kelvin nur noch Quantenfluktuationen auf, die auftreten, wenn ein physikalischer Parameter wie das Magnetfeld verändert wird.

Eine Herausforderung bei der Erforschung von Quantenmaterialien besteht darin, die Phasenübergänge von Vielteilchensystemen sowohl quantitativ zu messen als auch zu modellieren, wie Prof. Dragan Mihailovi vom Joef Stefan Institute in Slowenien erklärt. Die vorliegende Studie befasste sich mit der Untersuchung des Materials 1T-TaS2, das vielfältige Anwendungen von supraleitender Elektronik bis hin zu energieeffizienten Speichergeräten findet.

Dr. Jaka Vodeb vom Jülich Supercomputing Centre beschreibt den gewählten Ansatz wie folgt: „Wir haben das System gezielt in einen Zustand außerhalb des Gleichgewichts gebracht und dann beobachtet, wie sich die Elektronen im Gitter des Festkörpers nach dem Phasenübergang neu anordnen – sowohl durch Experimente als auch durch Simulationen.“

Sämtliche Berechnungen wurden mithilfe des Quantenannealers der Firma D-Wave durchgeführt, der in die Jülicher Nutzerinfrastruktur für Quantencomputing – JUNIQ – integriert ist. Die Forschenden waren erfolgreich darin, den Übergang von der temperaturgesteuerten zur von Quantenfluktuationen dominierten, verrauschten Dynamik nachzubilden. Durch die Verbindungen der Qubits im Quantenannealer war es möglich, die mikroskopischen Wechselwirkungen der Elektronen direkt darzustellen. Die Ergebnisse stimmen sowohl mit theoretischen Vorhersagen als auch mit experimentellen Befunden sehr präzise überein.

Darüber hinaus erweist sich dies auch als praktisch sinnvoll. Durch ein verbessertes Verständnis von Speichergeräten, die auf 1T-TaS2 basieren, könnte die Entwicklung eines praktischen Quantenspeichergeräts ermöglicht werden, das direkt auf einer Quantenverarbeitungseinheit (QPU) implementiert wird. Solche Geräte haben das Potenzial, zur Entwicklung energieeffizienter elektronischer Geräte beizutragen und somit den Energieverbrauch von Computersystemen erheblich zu reduzieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die vorliegende Studie verdeutlicht, dass es möglich ist, praktische Probleme mithilfe von Quantenannealern zu bewältigen. Sie finden Anwendung in der Kryptographie, den Materialwissenschaften sowie bei der Simulation von komplexen Systemen. Zusätzlich haben diese Erkenntnisse direkte Auswirkungen auf die Weiterentwicklung von energieeffizienten Quantenspeichergeräten.

Schlagwörter: Jülich + Richard Feynman + Slowenien

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