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Durchbruch bei der Berechnung von Quantensystemen

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Bisher sind Quantencomputer nur theoretisch erforscht, praktisch nutzbare Realisierungen liegen noch in ferner Zukunft. Im Experiment arbeiteten bisher nur einige Systeme mit wenigen "Qbits". Bei der Forschung geht es nicht nur um Verschlüsselung oder die extrem schnelle Suche in Datenbanken. Für die Praxis wichtiger wäre das Berechnen von Quantensystemen mit solchen quantenmechanischen Hilfsmitteln, woran die klassische Informatik bisher wegen Komplexität und schierem Umfang dieser Aufgaben scheitert.

In dieser Hinsicht könnte mit der Nature-Veröffentlichung "Quantum Metropolis Sampling" von Temme, Osborne, Vollbrecht, Poulin und Verstraete wenigstens ein theoretischer Durchbruch gelungen sein. Es gelang den Autoren, den seit 1953 bekannten Metropolis-Algorithmus, der unter anderem Grundlage für komplexe Optimierungsverfahren ist, auf quantenmechanische Systeme zu übertragen. Dies ist ein altes Problem, auf das bereits 1982 der Nobelpreisträger Richard Feynman hinwies. Bei seiner Lösung muss mit "negativen Wahrscheinlichkeiten" gerechnet werden, die in der uns vorstellbaren Welt keinen Sinn ergeben.

Die komplexen Hintergründe erläutert ein PDF-Dokument. Die praktische Bedeutung dieser Arbeit ist nicht zu unterschätzen, weswegen Nature unüblicherweise ein derart theoretisches Werk publizierte. Mit Berechnungen (selbst kleiner) quantenmechanischer Vielkörperprobleme ließen sich zahllose Eigenschaften etwa von chemischen Verbindungen, Legierungen, Flüssigkeiten und Plasmen vorhersagen, was bis heute nur in grober Näherung möglich ist.

Das Forschungsprojekt von Wissenschaftlern der Universitäten in Wien, Hannover und Sherbrooke in Quebec (Kanada) sowie des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik wurde von der EU gefördert. (Reinhard Wobst) / (ck)