Theorie-Publikation in Nature: Quantenalgorithmus für den Quantencomputer

Workgroup Verstraete Group


03. Mar 2011  — Nature publiziert in der aktuellen Ausgabe eine theoretische Arbeit zu einem neuartigen Quanten-Algorithmus: "Quantum Metropolis Sampling", K. Temme: T.J. Osborne, K.G. Vollbrecht, D. Poulin, and F. Verstraete. Nature 471, issue 7336, pp87-90; DOI:10.1038/nature09770

Die internationale Forschungsgruppe rund um Frank Verstraete, Quantenphysiker an der Universität Wien, präsentiert in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals "Nature" einen neuartigen Quanten-Algorithmus. Angewendet von einem künftigen Quantencomputer hätte diese Methode enormes Potenzial, neue Einblicke in fundamentale Zusammenhänge der Chemie, der Materialphysik oder der Hochenergiephysik zu gewähren.

 

Simulationen von Hochleistungsrechnern können noch nicht alle Probleme lösen

 

Seit der Entwicklung des Computers in den 1950er Jahren arbeiten WissenschafterInnen an einem systematischen Zugang, komplexe Systeme wie sie in der Natur vorkommen zu simulieren. Gegenwärtig versuchen zahlreiche ForscherInnen mithilfe von Supercomputern die quantenmechanische Vielteilchen-Schrödinger-Gleichung zu lösen, um beispielsweise neue Medikamente oder supraleitende Materialen zu entwickeln. Dabei tritt das fundamentale Problem auf, dass bei der quantenmechanischen Simulation mittels klassischen Computern nicht nur Wahrscheinlichkeiten sondern auch Wahrscheinlichkeitsamplituden vorkommen, die negativ sein können - was als das sogenannte "Vorzeichenproblem" oder "sign problem" bezeichnet wird.

 

Quantencomputer zur Lösung eines "wundervollen Problems"?

 

Bereits Richard Feynman – einer der ersten Visionäre des Quantencomputers – empfahl von diesen aufwändigen Rechenarbeiten nach klassischen Methoden abzugehen: Da "die Natur – verdammt nochmal – nicht klassisch sei, müsse man eben quantenmechanisch simulieren." (International Journal of Theoretical Physics 21, 1982). Feynman selbst fand dieses Problem im Übrigen "wundervoll", weil es nicht einfach zu lösen ist.

 

Dreißig Jahre später gibt es bereits erste wissenschaftliche Erfolge, den Quantencomputer zu realisieren. Nun ist es einem Team internationaler Theoretischer Physiker aus Österreich, Deutschland, Kanada und Australien – unter der Leitung von Frank Verstraete – gelungen aufzuzeigen, wie das „sign problem“ unter Anwendung eines Quanten-Algorithmus mithilfe des Quantencomputers gelöst werden könnte.

 

Vielteilchensysteme könnten mit dem Quantencomputer simuliert werden

 

Mit einem in der aktuellen Ausgabe der renommierten Zeitschrift Nature präsentierten Quanten-Algorithmus, dem "Quantum Metropolis Sampling", könnten sogenannte "statische Vielteilchensysteme" mit einem Quantencomputer simuliert werden. Dadurch können selbst Aufgabenstellungen mit höchstem Komplexitätsgrad exponentiell schneller gelöst werden.

Das ist in der Folge nicht nur für die Quantenphysik von allerhöchstem Interesse.

 

Einblicke in zahlreiche Forschungsfelder durch Simulation am Quantencomputer

 

Forschungsfelder wie die Chemie, die Hochenergiephysik aber auch die Materialphysik können durch Quantensimulationen von statischen Vielteilchensystemen enorm profitieren. Die Simulierung der Vielteilchen-Schrödinger-Gleichung stellt bisher ein "bottleneck" in diesen Forschungsbereichen dar. Schon lange versucht die Theorie der Quantenphysik Lösungsansätze für dieses Problem zu finden – mit dem "Quantum Metropolis Sampling" wird nun gezeigt, dass diese Gleichung mit einem Quantencomputer zu lösen ist. Der Quantencomputer hat mithin das Potenzial, die führende Technologie des 21. Jahrhunderts zu werden. Seine ersten Simulationen warten bereits auf ihn…