Seit langer Zeit verfolgen Physikerinnen und Physiker die Vorstellung, dass ein Computer, der aus Quantenteilchen besteht, komplexe Probleme der Materialforschung l\u00f6sen kann. Gemeinsam mit Kollegen aus Slowenien ist es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Forschungszentrums J\u00fclich 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 tats\u00e4chlich existierenden Quantenmaterial abbilden. Das Ergebnis stellt einen bedeutsamen Fortschritt dar und demonstriert die praktische Anwendbarkeit eines Quantenannealers zur L\u00f6sung von Problemen in der Materialwissenschaft.<\/p>\n
Zus\u00e4tzlich dazu haben die Forschenden Faktoren identifiziert, die die Energieeffizienz und Langlebigkeit von Quantenspeicherger\u00e4ten verbessern k\u00f6nnen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications publiziert.<\/p>\n
In den fr\u00fchen 1980er Jahren stellte Richard Feynman die Frage auf, ob es m\u00f6glich sei, die Natur genau mit einem herk\u00f6mmlichen 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 leistungsf\u00e4higsten Supercomputer sto\u00dfen an ihre Grenzen, wenn es um das exponentielle Wachstum der Anforderungen f\u00fcr 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.<\/p>\n
Gemeinsam mit Forschern aus slowenischen Institutionen haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums J\u00fclich nun demonstriert, dass sich diese Vision tats\u00e4chlich in der Praxis umsetzen l\u00e4sst. 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, Ph\u00e4nomene wie Supraleitung oder Quantenphasen\u00fcberg\u00e4nge bei extrem niedrigen Temperaturen zu erkl\u00e4ren. Anstelle von thermischen Fluktuationen treten bei einer Temperatur von 0 Kelvin nur noch Quantenfluktuationen auf, die auftreten, wenn ein physikalischer Parameter wie das Magnetfeld ver\u00e4ndert wird.<\/p>\n
Eine Herausforderung bei der Erforschung von Quantenmaterialien besteht darin, die Phasen\u00fcberg\u00e4nge von Vielteilchensystemen sowohl quantitativ zu messen als auch zu modellieren, wie Prof. Dragan Mihailovi vom Joef Stefan Institute in Slowenien erkl\u00e4rt. Die vorliegende Studie befasste sich mit der Untersuchung des Materials 1T-TaS2, das vielf\u00e4ltige Anwendungen von supraleitender Elektronik bis hin zu energieeffizienten Speicherger\u00e4ten findet.<\/p>\n
Dr. Jaka Vodeb vom J\u00fclich Supercomputing Centre beschreibt den gew\u00e4hlten Ansatz wie folgt: „Wir haben das System gezielt in einen Zustand au\u00dferhalb des Gleichgewichts gebracht und dann beobachtet, wie sich die Elektronen im Gitter des Festk\u00f6rpers nach dem Phasen\u00fcbergang neu anordnen – sowohl durch Experimente als auch durch Simulationen.“<\/p>\n
S\u00e4mtliche Berechnungen wurden mithilfe des Quantenannealers der Firma D-Wave durchgef\u00fchrt, der in die J\u00fclicher Nutzerinfrastruktur f\u00fcr Quantencomputing – JUNIQ – integriert ist. Die Forschenden waren erfolgreich darin, den \u00dcbergang von der temperaturgesteuerten zur von Quantenfluktuationen dominierten, verrauschten Dynamik nachzubilden. Durch die Verbindungen der Qubits im Quantenannealer war es m\u00f6glich, die mikroskopischen Wechselwirkungen der Elektronen direkt darzustellen. Die Ergebnisse stimmen sowohl mit theoretischen Vorhersagen als auch mit experimentellen Befunden sehr pr\u00e4zise \u00fcberein.<\/p>\n
Dar\u00fcber hinaus erweist sich dies auch als praktisch sinnvoll. Durch ein verbessertes Verst\u00e4ndnis von Speicherger\u00e4ten, die auf 1T-TaS2 basieren, k\u00f6nnte die Entwicklung eines praktischen Quantenspeicherger\u00e4ts erm\u00f6glicht werden, das direkt auf einer Quantenverarbeitungseinheit (QPU) implementiert wird. Solche Ger\u00e4te haben das Potenzial, zur Entwicklung energieeffizienter elektronischer Ger\u00e4te beizutragen und somit den Energieverbrauch von Computersystemen erheblich zu reduzieren.<\/p>\n
Zusammenfassend l\u00e4sst sich sagen: Die vorliegende Studie verdeutlicht, dass es m\u00f6glich ist, praktische Probleme mithilfe von Quantenannealern zu bew\u00e4ltigen. Sie finden Anwendung in der Kryptographie, den Materialwissenschaften sowie bei der Simulation von komplexen Systemen. Zus\u00e4tzlich haben diese Erkenntnisse direkte Auswirkungen auf die Weiterentwicklung von energieeffizienten Quantenspeicherger\u00e4ten.<\/p>\n
Schlagw\u00f6rter: J\u00fclich + Richard Feynman + Slowenien<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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