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

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