Die fundamentalen Kräfte der Natur werden in der Wissenschaft durch komplexe theoretische Modelle beschrieben. Die Berechnung und Überprüfung dieser Theorien, überfordert allerdings herkömmliche Supercomputer. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM), der Princeton University und von Google Quantum AI hat nun gezeigt: Quantencomputer können solche fundamentalen physikalischen Prozesse direkt simulieren.
Damit ist auch eine praktische Anwendung dieser neuen Technologie gelungen. Dieses Forschungsergebnis stellt somit einen wichtigen Schritt in der Quanteninformatik dar und zeigt ihr Potenzial. In Zukunft könnten Forschende damit tiefere Einblicke in die Teilchenphysik, Quantenmaterialien und sogar die Natur von Raum und Zeit selbst gewinnen. Es geht also um das Verständnis der Funktionsweise der Natur auf ihrer grundlegendsten Ebene, wie sie von sogenannten Eichtheorien beschrieben wird.
Für die direkte Simulation dieser fundamentalen Wechselwirkungen nutzten die Forschenden den Quantenprozessor von Google, einen hochmodernen supraleitenden Chip, der nicht mit den klassischen Einheiten 0 und 1 rechnet, sondern mit sogenannten Qubits, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren. In der im Fachjournal Nature veröffentlichten Studie konnten die Forschenden zeigen, wie sich sogenannte Strings verhalten.
Die grundlegenden Regeln des Universums bestimmen
„Unsere Arbeit zeigt, wie Quantencomputer uns helfen können, die grundlegenden Regeln zu erforschen, die unser Universum bestimmen“, sagt Mitautor Michael Knap, Professor für Kollektive Quantendynamik an der TUM School of Natural Sciences. „Durch die Simulation dieser Wechselwirkungen im Labor können wir Theorien auf neue Weise testen.“
Tyler Cochran, Erstautor und Doktorand in Princeton, sagt: „Durch die Anpassung der effektiven Parameter im Modell konnten wir die Eigenschaften der Strings abstimmen. Sie können stark schwanken, sich eng zusammenziehen oder sogar zerbrechen.“ Die Daten aus dem Quantenprozessor offenbarten die charakteristischen Verhaltensweisen solcher Strings, die direkte Analogien zu Phänomenen in der Hochenergie-Teilchenphysik aufweisen.
Mitautor Pedram Roushan, von Google Quantum AI ergänzt: „Unter Nutzung der Leistungsfähigkeit des Quantenprozessors haben wir die Dynamik untersucht und beobachtet, wie sich Teilchen und die unsichtbaren ‚Strings‘, die sie verbinden, im Laufe der Zeit entwickeln.“
Publikationen
T. A. Cochran, B. Jobst, E. Rosenberg, et al. Visualizing Dynamics of Charges and Strings in (2+1)D Lattice Gauge Theories, veröffentlicht in Nature, 4. Juni 2025 – DOI: 10.1038/s41586-25-08999-9
Weitere Informationen und Links
Die Forschung wurde teilweise von UK Research and Innovation (UKRI) im Rahmen der Fördergarantie „Horizon Europe“ der britischen Regierung [Fördernummer EP/Y036069/1], der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der deutschen Exzellenzstrategie – EXC – 2111 – 390814868, TRR 360 – 492547816, DFG-Fördernummern KN1254/1-2, KN1254/2-1, DFG FOR 5522 Forschungsgruppe (Projekt-ID 499180199), dem Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizont 2020“ der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 851161 und Nr. 771537), der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 101169765) sowie dem Munich Quantum Valley, das von der Bayerischen Staatsregierung mit Mitteln aus der Hightech Agenda Bayern Plus gefördert wird.
Kontakte zum Artikel:
Prof. Dr. Michael Knap
Professor für Kollektive Quantendynamik
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
michael.knap@ph.tum.de
Prof. Dr. Frank Pollmann
Professur für Theoretische Festkörperphysik
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
+49 89 289 53760
frank.pollmann@tum.de
Dr. Pedram Roushan
Google Quantum AI
+1 609 649 2317
pedramr@google.com
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Originalartikel: https://www.tum.de/aktuelles/alle-meldungen/pressemitteilungen/details/einblick-in-die-fundamentalen-bausteine-der-natur