Ihre Entwicklung steckt zwar noch in den Kinderschuhen, doch Quantensimulatoren haben das Potenzial, Probleme zu lösen, die zu komplex sind für herkömmliche Rechner. Unter Beteiligung eines Innsbrucker Physikers ist es US-Wissenschaftern nun gelungen, mit einem Quantensystem die Übertragung von Energie in Molekülen zu simulieren, berichten die Forscher im Fachblatt Physical Review X.
Lösung spezieller Probleme
Noch sind es konventionelle Computer, mit denen Physiker Abläufe in komplexen Systemen simulieren, um deren Zusammenhängen auf die Schliche zu kommen. Gerade wenn es um Quantensysteme geht, können die Berechnungen aber schnell so aufwendig werden, dass selbst die modernsten Supercomputer zum Scheitern verurteilt sind.
Eine mögliche Alternative wären Quantensimulatoren. Sie beruhen nicht auf herkömmlichen Methoden zur Datenverarbeitung, sondern funktionieren ihrerseits nach den Gesetzen der Quantenmechanik. Ähnlich wie Quantencomputern prophezeien Theoretiker auch ihnen großes Potenzial bei der Lösung spezieller Probleme. Noch ist ihre technologische Entwicklung aber nicht weit genug fortgeschritten, um konventionellen Systemen tatsächlich Konkurrenz zu machen.
Wenn die klassische Beschreibung scheitert
Mit ihrer aktuellen Studie ist den amerikanischen Forschern nun jedoch ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen. Mit dem Prototypen eines Quantensimulators konnten sie Prozesse, wie sie innerhalb eines Moleküls vorkommen, simulieren. „Wir haben uns dabei an einem Vorgang orientiert, der auch in der Photosynthese eine große Rolle spielt“, sagte Philipp Schindler vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Der Physiker war im Rahmen eines Erwin Schrödinger Stipendiums des Wissenschaftsfonds FWF an der Universität Berkeley in Kalifornien (USA) an dem Projekt beteiligt.
Bei der Photosynthese wird die Energie des Lichtes an einer Position eines langkettigen Moleküls eingefangen und dann über Vibrationen an das andere Ende des Moleküls übertragen. „Das ist ein Vorgang, der nicht klassisch beschrieben werden kann“, erläuterte Schindler. „Solche Prozesse können nur für sehr einfache Systeme auf herkömmlichen Computern analysiert werden, da sie ein erhebliches Maß an Quantenkorrelationen enthalten.“
Neue Möglichkeiten der Analyse
Realisiert wurde der Simulator in Form zweier Kalzium-Ionen, die mittels elektrischer Felder in Schwebe gehalten werden und die über ihre Vibrationen Energie austauschen können. Wird nun eines der Ionen mittels eines Lasers angeregt, kann es die aufgenommene Energie unter bestimmten Umständen auf das andere Ion übertragen – ein Vorgang, der analog zum Energieübertrag bei der Photosynthese abläuft.
Wie die Forscher betonen, handelt es sich dabei allerdings noch um eine reine Machbarkeitsstudie, die keine neuen physikalischen beziehungsweise biologischen Erkenntnisse über das simulierte System geliefert hat. In Zukunft hoffen sie jedoch mit einem komplexeren Aufbau mit zehn Ionen Prozesse simulieren zu können, die sich mit herkömmlichen Rechnern nicht analysieren lassen.