16.05.2022 - Universität Innsbruck

Quantensysteme und Bienenflug

Quantensimulator liefert Einblicke in die Dynamik komplexer Quantensysteme

Mehr als zwei Billiarden verschiedene Zustände kann ein Quantensystem mit nur 51 geladenen Atomen einnehmen. Sein Verhalten zu berechnen, ist für einen Quantensimulator ein Kinderspiel. Doch nachzuprüfen, ob das Ergebnis stimmt, ist selbst mit aktuellen Supercomputern kaum noch zu schaffen. Ein Forschungsteam der Universität Innsbruck und der Technischen Universität München (TUM) hat nun gezeigt, wie solche Systeme sich mit im 18. Jahrhundert entwickelten Gleichungen überprüfen lassen.

Auf den ersten Blick erscheint ein System aus 51 Ionen überschaubar. Doch selbst wenn man jedes dieser geladenen Atome nur zwischen zwei Zuständen hin und her schaltet, ergeben sich mehr als zwei Billiarden verschiedene Anordnungen, die das System einnehmen kann.

Mit herkömmlichen Computern ist das Verhalten eines solchen Systems daher kaum mehr zu berechnen. Zumal eine einmal ins System eingebrachte Anregung sich auch sprunghaft weiterbewegen kann. Sie folgt einer als Lévy-Flug bekannten Statistik.

Charakteristisch für solche Bewegungen ist, dass neben den zu erwartenden kleineren Sprüngen immer wieder auch wesentlich größere auftreten. Auch beim Flug von Bienen und bei heftigen Börsenbewegungen kann man dieses Verhalten beobachten.

Simulation der Quantendynamik: klassisch ein schwieriges Problem

Während die Simulation der Dynamik eines komplexen Quantensystems selbst für klassische Superrechner eine harte Nuss ist, ist sie für Quantensimulatoren ein Kinderspiel. Doch wie soll man die Ergebnisse eines Quantensimulators überprüfen, wenn man sie nicht nachrechnen kann?

Beobachtungen an Quantensystemen legten nahe, dass sich zumindest das längerfristige Verhalten solcher Quantensysteme eventuell mit Gleichungen beschreiben lassen könnte, wie sie schon die Gebrüder Bernoulli im 18. Jahrhundert zur Beschreibung des Verhaltens von Flüssigkeiten entwickelt hatten.

Um diese Hypothese zu testen, nutzte das Team ein Quantensystem, das die Dynamik von Quantenmagneten simulierte. An diesem konnten sie nachweisen, dass das System nach einer Anfangsphase, in der quantenmechanische Effekte dominieren, tatsächlich mit Gleichungen beschrieben werden kann, wie sie aus der Fluiddynamik bekannt sind.

Darüber hinaus zeigten sie, dass dieselben Lévy-Flug-Statistiken, die die Suchstrategien von Bienen beschreiben, auch die fluiddynamischen Prozesse in diesem Quantensystem beschreiben.

Gefangene Ionen als Plattform für kontrollierte Quantensimulationen

Der Quantensimulator wurde am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften am Campus der Universität Innsbruck aufgebaut. „Unser System simuliert effektiv einen Quantenmagneten, indem es den Nord- und Südpol eines Elementarmagneten durch zwei Energieniveaus der Ionen darstellt“, sagt Manoj Joshi, Wissenschaftler am IQOQI Innsbruck.

„Unser größter technischer Fortschritt bestand darin, dass es uns gelungen ist, jedes der 51 Ionen individuell ansteuern zu können“, erläutert Manoj Joshi. „Dadurch konnten wir die Dynamik beliebiger Anfangszustände untersuchen, was notwendig war, um die Entstehung der Fluiddynamik zu zeigen.“

„Während die Anzahl der Qubits und die Stabilität der Quantenzustände derzeit noch begrenzt ist, gibt es Fragen, für die wir die enorme Rechenleistung von Quantensimulatoren bereits heute nutzen können“, sagt Michael Knap, Professor für Kollektive Quantendynamik an der Technischen Universität München.

„In naher Zukunft werden Quantensimulatoren und Quantencomputer ideale Plattformen für die Erforschung der Dynamik komplexer Quantensysteme darstellen“, erläutert Michael Knap weiter. „Nun wissen wir, dass diese Systeme ab einem bestimmten Zeitpunkt den Gesetzmäßigkeiten der klassischen Fluiddynamik folgen. Gibt es starke Abweichungen davon, ist dies ein Indiz dafür, dass der Simulator nicht funktioniert.“

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Quantensysteme
  • Atome
  • Quantensimulationen
  • Quantendynamik
  • Quantenmagnete
  • Ionen

Mehr über Universität Innsbruck

  • News

    Mit Quantensensoren noch genauer messen

    An der Universität Innsbruck haben Physiker um Peter Zoller und Thomas Monz den ersten programmierbaren Quantensensor entwickelt und im Labor getestet. Dazu haben sie eine Methode aus der Quanteninformationsverarbeitung auf ein Messproblem angewendet. Das innovative Verfahren eröffnet die P ... mehr

    Wie Feinstaub aus Schadstoff-Gasen entsteht

    Wenn in asiatischen Mega-Cities Winter-Smog herrscht, misst man in den Straßen mehr Feinstaub, als es eigentlich geben dürfte. Ein internationales Team mit Beteiligung von Forschern der Goethe-Universität Frankfurt sowie der Universitäten in Wien und Innsbruck hat jetzt herausgefunden, dass ... mehr

    Coronavirus-Frühwarnsystem durch neue Testmethode

    Dank einer neuen Methode kann das Erbgut von SARS-CoV-2 erstmals im Zulauf österreichischer Kläranlagen nachgewiesen werden. So lässt sich ein regionales Auftreten der Viren frühzeitig erkennen. Die große Frage nach der Dunkelziffer der mit SARS-CoV-2 infizierten Personen beschäftigt derzei ... mehr

  • q&more Artikel

    Wissen statt Nichtwissen

    Biologie ist naturgemäß komplex und selbst die Ergebnisse einfachster biochemischer Experimente sind mit nicht zu vernachlässigendem experimentellen Rauschen behaftet. Biochemische Messungen sind jedoch das Rückgrat moderner Pharmaforschung. Wird die experimentelle Unsicherheit bei der Plan ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Christian Kramer

    Jg. 1980, studierte Molecular Sciences in Erlangen und Zürich. Er promovierte von 2007–2009 an der Universität Erlangen in enger Zusammenarbeit mit Boehringer-Ingelheim/Biberach über neue QSAR- und QSPR-Methoden zu statistischen Vorhersagen von physikochemischen und biochemischen Eigenschaf ... mehr

Mehr über TUM

  • News

    Mini-Brennstoffzelle erzeugt Strom mit körpereigenem Zucker

    Traubenzucker, auch Glukose genannt, ist der wichtigste Energielieferant in unseren Körper. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) wollen den Zucker im Körper nun auch als Energiequelle für mediz ... mehr

    Helle, stabile und leicht zu recycelnde Beleuchtung

    Eine kostengünstige und einfach herzustellende Beleuchtungstechnik kann mit lichtemittierenden elektrochemischen Zellen erfolgen. Bei solchen Zellen handelt es sich um elektronische und ionische Dünnschichtbauteile, die nach Anlegen einer niedrigen Spannung Licht erzeugen. Forschende haben ... mehr

    Licht könnte die Leistung von Brennstoffzellen und Lithium-Ionen-Akkus steigern

    Lithium-Ionen-Akkus, Brennstoffzellen und viele andere Devices sind auf eine gute Beweglichkeit von Ionen angewiesen. Doch dieser steht eine Vielzahl von Hindernissen entgegen. Ein Forschungsteam um Jennifer L. M. Rupp von der Technischen Universität München (TUM) und Harry L. Tuller vom Ma ... mehr

  • q&more Artikel

    Vitalkleber, ein Protein mit Potenzial

    In fast jedem der 17 Ziele der Agenda 2030 für eine nachhaltige Entwicklung spielen Lebensmittel und deren Wertschöpfungskette eine wichtige Rolle [1]. Mit der Agenda haben die Vereinten Nationen einen globalen Handlungsrahmen geschaffen, der sich an alle gesellschaftlichen Akteure richtet. mehr

    Biobasierte Rohstoffströme der Zukunft

    Der anthropogene Klimawandel und die steigende Weltbevölkerung im Verbund mit zunehmender Urbanisierung induzieren globale Herausforderungen an unsere Gesellschaft, die nur durch technologische Fortschritte gelöst werden können. mehr

    Ein Geschmacks- und Aromaschub im Mund

    Der Ernährungstrend hin zu gesünderen Snacks ist ungebremst. Snacks aus gefriergetrockneten Früchten erfüllen die Erwartungen der Verbraucher an moderne, hochwertige Lebensmittel. Allerdings erfordert die Gefriertrocknung ganzer Früchte lange Trocknungszeiten ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Thomas Becker

    Thomas Becker, Jahrgang 1965, studierte Technologie und Biotechnologie der Lebensmittel an der Technischen Universität München (TUM). Im Anschluss arbeitete er von 1992 bis 1993 als Projektingenieur in der Fa. Geo-Konzept. Die Promotion erfolgte 1995 an der TUM. Von 1996 bis 2004 war er als ... mehr

    Monika C. Wehrli

    Monika Wehrli, Jahrgang 1994, schloss ihr Studium mit Schwerpunkt Lebensmittelverfahrenstechnik an der ETH Zürich ab. Seit 2018 forscht sie an der Technischen Universität München am Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, wo sie ihre Promotion im Bereich Getreidetechnologie und -verfah ... mehr

    Prof. Dr. Thomas Brück

    Thomas Brück, Jahrgang 1972, absolvierte sein Bachelorstudium (B.Sc.) 1996 in den Fächern Chemie, Biochemie und Management an der Keele University in Stoke on Trent, U.K. Er hält einen Masterabschluss (1997) in Molekularmedizin von derselben Universität und promovierte 2002 auf dem Gebiet d ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: