Neuronale Netze und „Geister“-Elektronen rekonstruieren genau das Verhalten von Quantensystemen

Physiker erweitern (vorübergehend) die Realität, um den Code von Quantensystemen zu knacken.

Die Vorhersage der Eigenschaften eines Moleküls oder Materials erfordert die Berechnung des kollektiven Verhaltens seiner Elektronen. Solche Vorhersagen könnten Forschern eines Tages helfen, neue Arzneimittel zu entwickeln oder Materialien mit begehrten Eigenschaften wie Supraleitung zu entwerfen. Das Problem ist, dass sich Elektronen „quantenmechanisch“ miteinander verschränken können, also nicht mehr einzeln behandelt werden können. Das verworrene Netz von Verbindungen wird selbst für die leistungsstärksten Computer absurd schwierig, um es direkt für jedes System mit mehr als einer Handvoll Partikeln zu entwirren.

Jetzt haben Quantenphysiker am Center for Computational Quantum Physics (CCQ) des Flatiron Institute in New York City und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz das Problem umgangen. Sie schufen eine Möglichkeit, Verschränkung zu simulieren, indem sie ihren Berechnungen zusätzliche „Geister“-Elektronen hinzufügten, die mit den eigentlichen Elektronen des Systems interagieren.

Bei dem neuen Ansatz wird das Verhalten der hinzugefügten Elektronen durch eine künstliche Intelligenztechnik namens neuronales Netzwerk gesteuert. Das Netzwerk nimmt Optimierungen vor, bis es eine genaue Lösung findet, die in die reale Welt zurückprojiziert werden kann, wodurch die Auswirkungen der Verschränkung ohne die begleitenden rechnerischen Hürden nachgebildet werden.

Die Physiker stellen ihre Methode am 3. August im vor Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Man kann die Elektronen so behandeln, als würden sie nicht miteinander sprechen, als würden sie nicht interagieren“, sagt der Hauptautor der Studie, Javier Robledo Moreno, ein Doktorand am CCQ und der New York University. „Die zusätzlichen Partikel, die wir hinzufügen, vermitteln die Wechselwirkungen zwischen den tatsächlichen Partikeln, die in dem tatsächlichen physikalischen System leben, das wir zu beschreiben versuchen.“

In der neuen Arbeit zeigen die Physiker, dass ihr Ansatz konkurrierenden Methoden in einfachen Quantensystemen entspricht oder sie übertrifft.

„Wir haben dies auf einfache Dinge als Testbett angewendet, aber jetzt gehen wir zum nächsten Schritt und versuchen es an Molekülen und anderen, realistischeren Problemen“, sagt Studienkoautor und CCQ-Direktor Antoine Georges. „Das ist eine große Sache, denn wenn Sie die Wellenfunktionen komplexer Moleküle gut erhalten, können Sie alle möglichen Dinge tun, z. B. Medikamente und Materialien mit bestimmten Eigenschaften entwickeln.“

Langfristiges Ziel, sagt Georges, ist es, Forscher in die Lage zu versetzen, die Eigenschaften eines Materials oder Moleküls rechnerisch vorherzusagen, ohne es synthetisieren und in einem Labor testen zu müssen. So könnten sie beispielsweise mit wenigen Mausklicks eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle auf eine gewünschte pharmazeutische Eigenschaft testen. „Die Simulation großer Moleküle ist eine große Sache“, sagt Georges.

Robledo Moreno und Georges haben das Papier zusammen mit dem EPFL-Assistenzprofessor für Physik Giuseppe Carleo und dem CCQ-Forschungsstipendiaten James Stokes verfasst.

Das neue Werk ist eine Weiterentwicklung von eine Veröffentlichung von 2017 in Wissenschaft von Carleo und Matthias Troyer, der derzeit technischer Mitarbeiter bei Microsoft ist. Dieses Papier kombinierte auch neuronale Netze mit fiktiven Teilchen, aber die hinzugefügten Teilchen waren keine ausgewachsenen Elektronen. Stattdessen hatten sie nur eine Eigenschaft, die als Spin bekannt ist.

„Als ich war [at the CCQ] in New York war ich besessen von der Idee, eine Version eines neuronalen Netzwerks zu finden, das beschreibt, wie sich Elektronen verhalten, und ich wollte unbedingt eine Verallgemeinerung des Ansatzes finden, den wir 2017 eingeführt haben“, sagt Carleo. „Mit diesem neuen haben wir schließlich einen eleganten Weg gefunden, versteckte Teilchen zu haben, die keine Spins, sondern Elektronen sind.“

Zur Verfügung gestellt von der Simons Foundation