Heute werden Quantensysteme immer wichtiger für technologische Innovationen in der Informationsverarbeitung, Kryptographie, Photonik, Spintronik und Hochleistungsrechnen. Sie stehen in ständiger Wechselwirkung mit ihrer Umwelt, die ihre Arbeitsweise in vielerlei Hinsicht beeinflusst. Physiker der Universität Bayreuth haben in Kooperation mit Partnern der Universitäten Edinburgh und St. Andrews einen neuartigen Algorithmus entwickelt, um diese Einflüsse zu simulieren und zu berechnen. Im Naturphysik sie stellen ihre Entdeckung vor, die für das Verständnis offener Quantensysteme wegweisend ist.
Die Forscher nennen ihren Algorithmus Automated Compression of Environments (ACE). „Mit dieser Entwicklung ist uns ein Durchbruch in der Simulation von Quantensystemen gelungen. Denn für Hightech-Anwendungen von Quantensystemen ist es von extrem hoher Relevanz, Umwelteinflüsse realitätsnah simulieren zu können. Das erwarten wir uns von unserer neuen Methode.“ zu vielen wertvollen Erkenntnissen über technologisch relevante Quantensysteme führen und sicherlich auch den Weg für die Entwicklung neuer Quantenalgorithmen und für die Steuerung von Quantensystemen ebnen“, erklärt Prof. Dr. Vollrath Martin Axt, der die Forschungsarbeiten am leitete Universität Bayreuth.
Der neue Algorithmus zeichnet sich durch ein hohes Maß an Flexibilität aus. Im Gegensatz zu vielen anderen Methoden ist es in der Lage, mehrere unterschiedliche Umwelteinflüsse gemeinsam auf mikroskopischer Ebene zu beschreiben – und zwar vollständig numerisch, ohne auf Modellannäherungen zurückgreifen zu müssen, wie sie bei Simulationen von Vielteilchenmodellen üblich sind. Der neue Algorithmus überwindet auch eine Reihe von Einschränkungen bisheriger Methoden zur Simulation und Berechnung äußerer Einflüsse auf Quantensysteme. „ACE ermöglicht ein praktisch unbegrenztes Anwendungsspektrum: Es kann gleichermaßen auf bosonische, fermionische oder Spin-Umgebungen angewendet werden. Die Einflüsse von Gaußschen und nicht-Gaußschen Umgebungen, linearen und nicht-linearen Umgebungen sowie diagonalen und nicht-diagonalen Umgebungen können nun berücksichtigt werden gleichermaßen hochpräzise simuliert werden“, erklärt Axt.
Moritz Cygorek et al, Simulation offener Quantensysteme durch automatisierte Komprimierung beliebiger Umgebungen, Naturphysik (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9