Quantenalgorithmus für den Quantencomputer
| 03. März 2011
Einen neuartigen Quantenalgorithmus und damit den Ansatz zur Lösung eines "wunderbaren Problems" präsentieren ... (Grafik: Quantum Metropolis stochastic map, K. Temme et al. in Nature 471, S. 87-90)
... der Quantenphysiker Frank Verstraete und sein Team in der aktuellen Ausgabe von "Nature". (Foto: privat)
Die Lösung für ein "wunderbares Problem" rückt näher: Die internationale Forschungsgruppe rund um den Quantenphysiker Frank Verstraete präsentiert in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals "Nature" einen neuartigen Quantenalgorithmus. Angewendet von einem künftigen Quantencomputer sehen die Forscher in dieser Methode das Potenzial, neue Einblicke in fundamentale Zusammenhänge der Chemie, der Materialphysik oder der Hochenergiephysik zu gewähren.
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 klassischer Computer nicht nur Wahrscheinlichkeiten, sondern auch Wahrscheinlichkeitsamplituden vorkommen, die negativ sein können – was als "Vorzeichenproblem" oder "sign problem" bezeichnet wird.
Lösung eines "wundervollen Problems"
Bereits Richard Feynman – einer der ersten Visionäre des Quantencomputers – empfahl, von diesen aufwändigen Rechenarbeiten nach klassischen Methoden abzugehen: "Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of Nature, you'd better make it quantum mechanical, and by golly it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy" (International Journal of Theoretical Physics 21, 1982).
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 simulieren
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 ist es möglich, selbst Aufgabenstellungen mit höchstem Komplexitätsgrad exponentiell schneller zu lösen.
Neue Einblicke durch Simulation am Quantencomputer
Dies wäre in der Folge nicht nur für die Quantenphysik von allerhöchstem Interesse: Forschungsfelder wie die Chemie oder 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 … (ad)
Das Paper "Quantum Metropolis Sampling" (Autoren: K. Temme, T. J. Osborne, K. G. Vollbrecht, D. Poulin, and F. Verstraete) erschien am 3. März 2011 im Fachjournal Nature (471, S. 87 bis 90).