Simulationen im Quantenlabor

(Nanowerk News) Die M√∂glichkeiten des Nachstellens hochkomplexer Vorg√§nge auf der atomaren Ebene mithilfe von genau kontrollierbaren Quantensystemen erforscht eine internationale Forschungsgruppe unter Beteiligung der Freien Universit√§t 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 ‚Äď insbesondere der Festk√∂rperphysik ‚Äď allgegenw√§rtig sind.
Diese neue Herangehensweise, Systeme im Labor nachzustellen, erlaubt die L√∂sung von schwierigen und wichtigen Problemen, die selbst auf modernen Superrechnern nicht mehr zu bew√§ltigen sind. Das Team aus √Ėsterreich, Frankreich und Deutschland leitet die Frage, wie sich das volle Potenzial eines dynamischen Quantensimulators aussch√∂pfen lassen k√∂nnte, der auch wichtige Fragen der Zeitentwicklung von physikalischen Systemen angehen kann. Das Projekt mit dem Titel AQuS ‚Äď die Abk√ľrzung steht f√ľr Analog Quantum Simulators for Many-Body Dynamics ‚Äď wird √ľber drei Jahre mit insgesamt zwei Millionen Euro von der Europ√§ischen Kommission gef√∂rdert.
Wer ein komplexes System beschreiben muss, bedient sich daf√ľr gern eines Tricks und benutzt daf√ľr 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 zun√§chst per Computer. Klima und Wetterver√§nderungen werden auf Hochleistungsrechnern mithilfe hochkomplizierter Modelle simuliert. Schiffsr√ľmpfe lassen sich in Str√∂mungssimulatoren auf ihre Tauglichkeit testen.
Auch viele Eigenschaften von Materialien und komplizierten Strukturen, die aus einzelnen Atomen zusammengesetzt sind, k√∂nnen auf modernen Computern simuliert werden. Solche computergest√ľtzten 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 gef√∂rderte Projekt an.
Zu dem Konsortium z√§hlen die Universit√§t Heidelberg, das franz√∂sische Centre National de la R√©cherche Scientifique (CNRS) Marcoussy, das Max-Planck-Institut f√ľr Quantenoptik und die Technische Universit√§t Wien. An der Freien Universit√§t Berlin beteiligt ist die Arbeitsgruppe f√ľr 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 f√ľr welche Aufgaben Quantensimulatoren das gr√∂sste Potenzial versprechen.
Die Arbeitsgruppe arbeitet hier mit den Methoden der theoretischen Physik, also mit konzeptuellen und mathematischen Ans√§tzen, die die Experimente der anderen Partner erkl√§ren und unterst√ľtzen sollen.
Die Idee von Quantensimulationen durch Quantensimulationen geht zur√ľck auf ein Gedankenspiel des US-amerikanischen Physikers und Nobelpreistr√§gers Richard Feynman. Es argumentierte, dass es eigentlich m√∂glich sein m√ľsse, komplizierte Quantensysteme in allen Eigenschaften zu simulieren, die sie ausmachen. Feynman gab allerdings zu bedenken, dass dies mit normalen Computern nicht gelingen k√∂nne. Viel kl√ľger sei es deshalb, f√ľr die Simulation andere Quantensysteme zu verwenden. Wenn man eines dieser komplexen Quantensysteme sehr genau studieren und kontrollieren k√∂nnte, f√ľhrte Feynman aus, dann k√∂nne man es auch verwenden, um andere Quantensysteme zu simulieren.
Vielversprechend sind bereits jetzt Systeme aus ultrakalten einzelnen Atomen, die man in k√ľnstlichen Gittern aus stehenden Wellen von Licht einzeln platzieren kann. Sie erlauben das Nachstellen und Simulieren von Festk√∂rper-Systemen im Gleichgewicht und ausserhalb des Gleichgewichts. Insbesondere kann man die Physik von Quanten√ľberg√§ngen sehr genau nachstellen und damit alte Fragen der Physik neu angehen.
Source: Freie Universität Berlin
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