Wissenschaftler haben mit einem Quantensimulator eines der ungewöhnlicheren Phänomene der Physik nachgebildet: Teilchenpaare entstehen, wenn eine energiereiche Verbindung zwischen fundamentalen Teilchen zerbricht.
Forschende unter der Leitung des Duke Quantum Center simulierten das als String Breaking bekannte Phänomen mithilfe einer Kette aus 13 eingefangenen Ionen. Der Prozess steht mit der Bildung von Teilchen und Antiteilchen sowie mit der Physik von Teilchenkollisionen und dem frühen Universum in Zusammenhang.
Das Experiment hat nicht buchstäblich Materie aus dem Nichts erschaffen. Stattdessen zeigt es, wie Quantenhardware zu einem Labor für die Untersuchung der Hochenergiephysik werden könnte, deren Modellierung mit zunehmender Komplexität der Systeme immer schwieriger wird.
Quantensimulator bildet String Breaking nach
In der Teilchenphysik werden Quarks durch die starke Kernkraft in zusammengesetzten Teilchen wie Protonen und Neutronen eingeschlossen.
Eine Möglichkeit, diesen Einschluss zu veranschaulichen, ist ein energiereicher String. Je weiter sich die eingeschlossenen Teilchen voneinander entfernen, desto größer wird die potenzielle Energie zwischen ihnen. Sobald sich genügend Energie angesammelt hat, können sich neue Teilchen-Antiteilchen-Paare bilden, und der ursprüngliche String zerbricht gewissermaßen.
Forschende bildeten eine analoge Dynamik nach und nutzten dafür einen programmierbaren Quantensimulator mit eingefangenen Ionen.
Das Team codierte eine vereinfachte Gittereichtheorie in einer Kette aus 13 atomaren Ionen. Präzise gesteuerte Laserstrahlen veränderten die Wechselwirkungen zwischen den Ionen, sodass die Forschenden Änderungen der Energie des Systems nachahmen konnten.
Indem das Team die Ionen in einen Zustand außerhalb des Gleichgewichts versetzte und ihre Entwicklung verfolgte, beobachtete es die Bildung effektiver Ladungen und rekonstruierte die daraus resultierende Dynamik des String Breaking.
Die Studie wurde am 23. September in Nature Physics von Forschenden der Duke University, der University of Maryland, der Oxford University, des California Institute of Technology, der Cornell University, der KU Leuven und anderer Einrichtungen veröffentlicht.
Arinjoy De, Erstautor der Studie und inzwischen Produktionsmaschinenleiter bei QuEra Computing, sagte, das Experiment könne neue Möglichkeiten eröffnen, um zu untersuchen, wie sich Materie auf fundamentalen Skalen verhält.
Warum einen Quantencomputer verwenden?
Das Experiment mit 13 Ionen war noch klein genug, um es mit einem klassischen Computer nachzubilden.
Die Forschenden verglichen die klassische Simulation mit dem Experiment mit eingefangenen Ionen und stellten fest, dass das Quantensystem das erwartete Verhalten zeigte.
Die Schwierigkeit entsteht, wenn diese Modelle skaliert werden.
Die Simulation des Echtzeitverhaltens wechselwirkender Quantensysteme kann für herkömmliche Computer äußerst anspruchsvoll werden. Quantensimulatoren bieten einen weiteren Ansatz, weil sich ihre eigenen Quantenzustände so programmieren lassen, dass sie die Systeme nachahmen, die Physiker untersuchen möchten.
Christopher Monroe, Professor für Elektro- und Computertechnik sowie Physik an der Duke University und Leiter der Forschungsarbeiten, sagte, Quantensimulationen könnten Forschenden letztlich dabei helfen, Fragen zur Entstehung von Materie und zur Physik des frühen Universums zu untersuchen.
Ein langfristiges Ziel besteht darin, Quantensimulationen zu skalieren und in Bereiche vorzudringen, deren direkte Nachbildung für klassische Computer unpraktisch wird.
Was eWeek herausgefunden hat: String Breaking entwickelt sich zu einem plattformübergreifenden Vergleich
Das Experiment der Duke University wird noch interessanter, wenn man es zusammen mit verwandten Arbeiten betrachtet, bei denen andere Arten von Quantenhardware zum Einsatz kamen.
Auch von Google und QuEra Computing geleitete Teams haben String Breaking oder verwandte Dynamiken von Eichtheorien untersucht. Google nutzte supraleitende Schaltkreise, während QuEra und seine Partner verwandte Phänomene mit neutralen Atomen nachwiesen.
Damit wurden Varianten verwandter Probleme der Hochenergiephysik inzwischen mit drei bedeutenden Quantenarchitekturen untersucht: eingefangenen Ionen, supraleitenden Schaltkreisen und neutralen Atomen.
Quantenplattform | Beispielhafte Forschung | Funktionsweise | Warum das hier relevant ist |
| Eingefangene Ionen | Von Duke geleitetes Experiment | Laser-gesteuerte atomare Ionen repräsentieren das Quantensystem | Simulation der String-Breaking-Dynamik mit 13 Ionen |
| Supraleitende Schaltkreise | Von Google geleitete Forschung | Supraleitende Qubits werden mithilfe von Mikrowellensignalen gesteuert | Nachweis verwandter Dynamiken von Eichtheorien und String Breaking auf einer anderen Architektur |
| Neutrale Atome | Mit QuEra verbundene Forschung | Laser-gesteuerte neutrale Atome fungieren als programmierbare Quantenelemente | Bietet einen weiteren Hardwareansatz zur Untersuchung verwandter Dynamiken von Eichtheorien |
Der Vergleich ist relevant, weil Quantencomputer sich nicht auf ein einheitliches Hardwaredesign festgelegt haben. Jede Architektur hat unterschiedliche Stärken in Bezug auf Genauigkeit, Konnektivität, Skalierbarkeit und Steuerung.
Die Experimente sind nicht identisch und sollten nicht als standardisierter Benchmark betrachtet werden. Sie bieten Forschenden jedoch einen entstehenden Vergleichspunkt dafür, wie verschiedene Quantenarchitekturen wissenschaftlich relevante physikalische Probleme bewältigen.
Monroe bezeichnete die drei Ansätze als führende Quantencomputerplattformen und sagte, die Untersuchung verwandter Probleme auf ihnen schaffe einen nützlichen Maßstab und Vergleich für das gesamte Forschungsfeld.
Das könnte das wichtigere Ergebnis für die Quantenindustrie sein. Das Experiment der Duke University zeigt keinen Quantenvorteil, fügt aber einer wachsenden Zahl von Arbeiten eine weitere Architektur hinzu, in denen Quantenmaschinen an schwierigen physikalischen Systemen getestet werden, deren klassische Nachbildung mit zunehmender Skalierung immer schwieriger werden könnte.
Quantensimulatoren könnten Physik jenseits der Reichweite klassischer Computer erforschen
Das aktuelle Experiment liegt noch im Bereich der klassischen Überprüfbarkeit. Die Forschenden behaupten daher nicht, dass die Ionenmaschine herkömmliche Computer übertroffen habe.
Die Bedeutung liegt vielmehr darin, was geschehen könnte, wenn die Modelle größer und komplexer werden.
Die Studie in Nature Physics weist auf zunehmend anspruchsvolle Gittereichtheorien hin, die für die Hochenergiephysik relevant sind, darunter Phänomene im Zusammenhang mit String-Fragmentierung, Teilchenwechselwirkungen und Kosmologie.
Die Quantenchromodynamik, die Theorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen, bleibt ein weitaus ambitionierteres langfristiges Ziel. Ein vollständiger Simulator der Quantenchromodynamik liegt außerhalb der Möglichkeiten heutiger Hardware.
Künftige Experimente könnten komplexere String-Dynamiken und Phänomene modellieren, die für Teilchenkollisionen und die Kosmologie relevant sind.
Quantensimulatoren könnten Beschleunigerexperimente letztlich ergänzen, indem sie Forschenden eine kontrollierbare Möglichkeit bieten, bestimmte zugrunde liegende Dynamiken nachzuahmen, die sich experimentell nur schwer isolieren lassen.
Vorerst reichen 13 Ionen bei Weitem nicht aus, um das Universum nach dem Urknall zu rekonstruieren. Das Experiment weist jedoch auf ein nützlicheres Maß für den Fortschritt beim Quantencomputing hin als die bloße Zahl der Qubits: die Frage, ob Quantenhardware wissenschaftlich relevante Physik reproduzieren kann, deren Berechnung für klassische Maschinen letztlich unpraktisch wird.
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