Die Möglichkeiten des Nachstellens hochkomplexer Vorgänge auf der atomaren Ebene mithilfe von genau kontrollierbaren Quantensystemen erforscht eine internationale Forschungsgruppe unter Beteiligung der Freien Universität Berlin. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler versprechen sich von solchen sogenannten Quanten-Simulationen neuartige Einsichten in aus vielen elementaren Einheiten zusammengesetzte Systeme, wie sie in der Physik – insbesondere der Festkörperphysik – allgegenwärtig sind. Diese neue Herangehensweise, Systeme im Labor nachzustellen, erlaubt die Lösung von schwierigen und wichtigen Problemen, die selbst auf modernen Superrechnern nicht mehr zu bewältigen sind.

Das Team aus Österreich, Frankreich und Deutschland leitet die Frage, wie sich das volle Potenzial eines dynamischen Quantensimulators ausschöpfen lassen könnte, der auch wichtige Fragen der Zeitentwicklung von physikalischen Systemen angehen kann. Das Projekt mit dem Titel AQuS – die Abkürzung steht für Analog Quantum Simulators for Many-Body Dynamics – wird über drei Jahre mit insgesamt zwei Millionen Euro von der Europäischen Kommission gefördert..

Wer ein komplexes System beschreiben muss, bedient sich dafür gern eines Tricks und benutzt dafür eine Simulation. Simulationen kommen immer dann zum Tragen, wenn eine exakte theoretische Beschreibung eines Systems zu kompliziert, zu aufwendig oder zu teuer ist. Jeder Autohersteller simuliert das Fahrverhalten seines neuen geplanten Modells zunächst per Computer. Klima und Wetterveränderungen werden auf Hochleistungsrechnern mithilfe hochkomplizierter Modelle simuliert. Schiffsrümpfe lassen sich in Strömungssimulatoren auf ihre Tauglichkeit testen.

Auch viele Eigenschaften von Materialien und komplizierten Strukturen, die aus einzelnen Atomen zusammengesetzt sind, können auf modernen Computern simuliert werden. Solche computergestützten Untersuchungen sind deshalb schon jetzt ein Grundpfeiler der Materialforschung. Allerdings stoßen diese Simulationen an Grenzen, sobald es um die Welt im ganz Kleinen geht, also auf der atomaren Ebene. Hier setzt das nun geförderte Projekt an.

Zu dem Konsortium zählen die Universität Heidelberg, das französische Centre National de la Récherche Scientifique (CNRS) Marcoussy, das Max-Planck-Institut für Quantenoptik und die Technische Universität Wien. An der Freien Universität Berlin beteiligt ist die Arbeitsgruppe für theoretische Physik von Prof. Dr. Jens Eisert. Er arbeitet mit seinem Team vor allem an den Fragen, wie und in welcher neuen Weise sich solche dynamischen Quantensimulatoren umsetzen lassen und für welche Aufgaben Quantensimulatoren das größte Potenzial versprechen. Die Arbeitsgruppe arbeitet hier mit den Methoden der theoretischen Physik, also mit konzeptuellen und mathematischen Ansätzen, die die Experimente der anderen Partner erklären und unterstützen sollen.

Die Idee von Quantensimulationen durch Quantensimulationen geht zurück auf ein Gedankenspiel des US-amerikanischen Physikers und Nobelpreisträgers Richard Feynman. Es argumentierte, dass es eigentlich möglich sein müsse, komplizierte Quantensysteme in allen Eigenschaften zu simulieren, die sie ausmachen. Feynman gab allerdings zu bedenken, dass dies mit normalen Computern nicht gelingen könne. Viel klüger sei es deshalb, für die Simulation andere Quantensysteme zu verwenden. Wenn man eines dieser komplexen Quantensysteme sehr genau studieren und kontrollieren könnte, führte Feynman aus, dann könne man es auch verwenden, um andere Quantensysteme zu simulieren. Vielversprechend sind bereits jetzt Systeme aus ultrakalten einzelnen Atomen, die man in künstlichen Gittern aus stehenden Wellen von Licht einzeln platzieren kann. Sie erlauben das Nachstellen und Simulieren von Festkörper-Systemen im Gleichgewicht und außerhalb des Gleichgewichts. Insbesondere kann man die Physik von Quantenübergängen sehr genau nachstellen und damit alte Fragen der Physik neu angehen.

Jens Eisert, Jahrgang 1970, studierte an der Universität Freiburg und an der University of Connecticut (USA) und promovierte an der Universität Potsdam. Er war mehrere Jahre als Lecturer am Imperial College London tätig. 2004 erhielt er als Juniorprofessor an der Universität Potsdam den europäischen Förderpreis EURYI für Nachwuchswissenschaftler, den Vorläufer des ERC Starting Grant. Seit 2011 ist Jens Eisert Professor für Quanten-Vielteilchentheorie, Quanten-Informationstheorie und Quantenoptik an der Freien Universität Berlin. Ende 2012 wurde Jens Eisert mit einem hochdotierten Förderpreis des Europäischen Forschungsrats (ERC) ausgezeichnet, dem ERC Consolidator Grant. Die Ehrung umfasst eine Förderung von rund 1,2 Millionen Euro über fünf Jahre.

Quelle:

Freie Universität Berlin