Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Ein Mei­len­stein für neue Quantentechnologien

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Exak­te Simu­la­tio­nen von Umge­bungs­ein­flüs­sen auf Quantensysteme

Quan­ten­sy­ste­me gewin­nen heu­te eine immer stär­ke­re Bedeu­tung für tech­no­lo­gi­sche Inno­va­tio­nen in der Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung, der Kryp­to­gra­phie, der Pho­to­nik, der Spin­tro­nik oder im Hoch­lei­stungs­rech­nen. Sie ste­hen in stän­di­ger Wech­sel­wir­kung mit ihrer Umge­bung, die ihre Funk­ti­ons­wei­sen in vie­ler Hin­sicht beein­flus­sen. Phy­si­kern der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist es jetzt in Koope­ra­ti­on mit Part­nern an den Uni­ver­si­tä­ten Edin­burgh und St. Andrews gelun­gen, einen neu­ar­ti­gen Algo­rith­mus zur Simu­la­ti­on und Berech­nung die­ser Ein­flüs­se zu ent­wickeln. In „Natu­re Phy­sics“ stel­len sie ihre für das Ver­ständ­nis von offe­nen Quan­ten­sy­ste­men weg­wei­sen­de Ent­deckung vor.

Die For­scher bezeich­nen ihren Algo­rith­mus als „Auto­ma­ted Com­pres­si­on of Envi­ron­ments (ACE)“. „Mit die­ser Ent­wick­lung ist uns ein Durch­bruch in der Simu­la­ti­on von Quan­ten­sy­ste­men gelun­gen. Denn für High-Tech-Anwen­dun­gen von Quan­ten­sy­ste­men ist es von außer­or­dent­lich hoher Rele­vanz, die Umge­bungs­ein­flüs­se rea­li­stisch simu­lie­ren zu kön­nen. Wir kön­nen davon aus­ge­hen, dass unse­re neue Metho­de zu vie­len wert­vol­len Ein­sich­ten in tech­no­lo­gisch rele­van­te Quan­ten­sy­ste­me füh­ren wird. Sie wird sicher auch für die Ent­wick­lung wei­te­rer Quan­ten­al­go­rith­men und für die Steue­rung von Quan­ten­sy­ste­men neue Wege ebnen“, erklärt Prof. Dr. Voll­rath Mar­tin Axt, der die For­schungs­ar­bei­ten an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth gelei­tet hat.

Der neue Algo­rith­mus zeich­net sich durch eine hohe Fle­xi­bi­li­tät aus. Er ist, anders als vie­le ande­re Metho­den, in der Lage, meh­re­re unter­schied­li­che Umge­bungs­ein­wir­kun­gen gemein­sam auf mikro­sko­pi­scher Stu­fe zu beschrei­ben – und zwar nume­risch voll­stän­dig, ohne auf die bei Simu­la­tio­nen von Viel­teil­chen­mo­del­len übli­chen Nähe­run­gen am Modell zurück­grei­fen zu müs­sen. Der neue Algo­rith­mus über­win­det zudem eine Rei­he von Ein­schrän­kun­gen, denen die bis­he­ri­gen Ver­fah­ren zur Simu­la­ti­on und Berech­nung der exter­nen Ein­flüs­se auf Quan­ten­sy­ste­me unter­lie­gen. „ACE ermög­licht ein gera­de­zu unbe­grenz­tes Spek­trum von Anwen­dun­gen: Er lässt sich glei­cher­ma­ßen auf boso­ni­sche, fer­mio­ni­sche oder Spin-Umge­bun­gen anwen­den. Die Ein­flüs­se von Gau­ßi­schen und Nicht-Gau­ßi­schen Umge­bun­gen, linea­ren und nicht-linea­ren Umge­bun­gen, dia­go­na­len und nicht-dia­go­na­len Umge­bun­gen kön­nen jetzt glei­cher­ma­ßen mit hoher Prä­zi­si­on simu­liert wer­den“, erklärt Axt.

Quan­ten­tech­no­lo­gien in der Leh­re: Neue För­de­rung durch das Baye­ri­sche Wissenschaftsministerium

Nicht nur in der For­schung, son­dern auch in der Leh­re rücken quan­ten­tech­no­lo­gi­sche Anwen­dun­gen und ihre phy­si­ka­li­schen Grund­la­gen an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth künf­tig stär­ker in den Fokus. Wie das Baye­ri­sche Staats­mi­ni­ste­ri­um für Wis­sen­schaft und Kunst vor weni­gen Tagen bekannt gab, erhält die Fakul­tät für Mathe­ma­tik, Phy­sik und Infor­ma­tik aus Mit­teln der High-Tech Agen­da Bay­ern eine För­de­rung von 144.000 Euro, um die Leh­re auf dem Gebiet der Quan­ten­tech­no­lo­gien aus­zu­bau­en und zu inten­si­vie­ren. Gleich hohe För­der­be­trä­ge gehen an die Uni­ver­si­tä­ten in Augs­burg, Erlan­gen-Nürn­berg, Mün­chen, Regens­burg und Würzburg.

„Geld in For­schung und Tech­nik zu inve­stie­ren ist das eine, Talen­te för­dern das ande­re. Wir brin­gen bei­des zusam­men: die schlau­en Köp­fe an Bay­erns Uni­ver­si­tä­ten für die Quan­ten­for­schung gewin­nen und sie schnell fit für die Zukunft machen“, erklär­te Wis­sen­schafts­mi­ni­ster Mar­kus Blu­me. „Über die Ent­schei­dung des Baye­ri­schen Wis­sen­schafts­mi­ni­ste­ri­ums freu­en wir uns sehr. Sie ist ein wich­ti­ger Impuls für die wei­te­re Stär­kung der Quan­ten­phy­sik in Bay­ern. In Bay­reuth wer­den wir die För­der­mit­tel ins­be­son­de­re dafür ein­set­zen, moder­ne Prak­ti­kums­ver­su­che auf­zu­bau­en, die es Stu­die­ren­den erlau­ben, selbst­stän­dig Expe­ri­men­te der aktu­el­len For­schung durch­zu­füh­ren. Die­se Expe­ri­men­te haben einen direk­ten Bezug zu inno­va­ti­ven Kon­zep­ten, die die Grund­la­ge von Quan­ten­tech­no­lo­gien bil­den“, sagt Prof. Dr. Voll­rath Mar­tin Axt, Geschäfts­füh­rer des Phy­si­ka­li­schen Insti­tuts der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Ver­öf­fent­li­chung:

Moritz Cygo­rek et al.: Simu­la­ti­on of open quan­tum systems by auto­ma­ted com­pres­si­on of arbi­tra­ry envi­ron­ments. Natu­re Phy­sics (2022), DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41567-022–01544‑9

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