Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenalgorithmus für den Quantencomputer – ein Ansatz zur Lösung eines "wundervollen Problems"

04.03.2011
Die internationale Forschungsgruppe rund um Frank Verstraete, Quantenphysiker an der Universität Wien, präsentiert in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals "Nature" einen neuartigen Quantenalgorithmus.

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 "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 erste wissenschaftliche Erfolge, den Quantencomputer zu realisieren. Ein Team internationaler Theoretischer Physiker aus Österreich, Deutschland, Kanada und Australien unter der Leitung von Frank Verstraete, Professor an der Universität Wien, zeigt, wie das „sign problem“ unter Anwendung eines Quantenalgorithmus mithilfe des Quantencomputers gelöst werden könnte.

Vielteilchensysteme könnten mit dem Quantencomputer simuliert werden

Mit einem in der aktuellen Ausgabe der renommierten Zeitschrift Nature präsentierten Quantenalgorithmus, 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.

Publikation
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
Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Frank Verstraete
Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation
Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
M +43-664-60277-512 19
frank.verstraete@univie.ac.at
http://verstraete.quantum.at/home/
http://vcq.quantum.at/
Rückfragehinweis
Mag. Ursula Gerber
Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation
Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
T +43-1-4277-512 66
M +43-650-817 50 40
ursula.gerber@univie.ac.at

Alexander Dworzak | idw
Weitere Informationen:
http://www.univie.ac.at
http://medienportal.univie.ac.at/presse

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin
23.01.2017 | Ferdinand-Braun-Institut Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik

nachricht Einblicke ins Atom
23.01.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie

Vom Feld in die Schule: Aktuelle Forschung zu moderner Landwirtschaft für den Unterricht

23.01.2017 | Bildung Wissenschaft

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten