Einzelteilchen-Quantencomputer: Ein Schritt näher zum Quantenvorteil

SYDNEY / LONDON (IT BOLTWISE) – Die Welt der Quantenphysik hat einen bedeutenden Fortschritt gemacht: Forscher der University of Sydney haben gezeigt, dass ein einzelnes Ion die Komplexität von Molekülen simulieren kann, die mit Licht interagieren. Dies könnte den Weg zu nützlichen Quantencomputern erheblich verkürzen.

In der Quantenphysik hat ein Team der University of Sydney einen bemerkenswerten Durchbruch erzielt. Sie haben demonstriert, dass ein einzelnes Ion die komplexen Wechselwirkungen von Molekülen mit Licht simulieren kann. Diese Entdeckung könnte die Entwicklung von Quantencomputern beschleunigen, die in der Lage sind, Berechnungen durchzuführen, die für klassische Computer unerreichbar sind.

Der sogenannte Quantenvorteil, bei dem Quantencomputer Aufgaben lösen, die für herkömmliche Computer unmöglich sind, rückt damit näher. Die Forscher um Ting Rei Tan haben gezeigt, dass ein einziges Teilchen Informationen codieren kann, die normalerweise über viele Qubits verteilt sind. Dies macht den Ansatz besonders hardwareeffizient und könnte die benötigte Anzahl an Qubits drastisch reduzieren.

In ihrer Studie, veröffentlicht im Journal of the American Chemical Society, simulierten die Forscher das Verhalten von drei organischen Molekülen – Allen, Butatrien und Pyrazin – bei der Interaktion mit Licht. Diese Simulationen sind entscheidend, um das Verhalten von Molekülen zu verstehen, was wiederum die Entwicklung effizienterer Materialien, wie etwa in Solarzellen, ermöglicht.

Die Methode der Forscher basiert auf der Verwendung eines einzelnen Ytterbiumions, das in einem Vakuum mit elektrischen Feldern gefangen wird. Durch gezielte Laserpulse konnten sie die Wechselwirkungen zwischen den Zuständen des Ions steuern und so die molekularen Reaktionen auf Licht nachahmen. Diese Technik erlaubt es, die Schwingungen und elektronischen Anregungen der Moleküle präzise zu simulieren.

Während herkömmliche Computer an ihre Grenzen stoßen, wenn sie komplexe Moleküle mit vielen Schwingungsmoden simulieren müssen, zeigt dieser Ansatz, dass bereits wenige Dutzend Ionen ausreichen könnten, um nützliche Simulationen durchzuführen. Dies könnte die Erwartungen an die benötigte Hardware für Quantencomputer revolutionieren.

Die Simulation von Molekülen gilt als eine der vielversprechendsten Anwendungen für Quantencomputer. Bisher ging man davon aus, dass Millionen von Qubits erforderlich sind, um brauchbare Ergebnisse zu erzielen. Doch die Arbeit von Tan und seinem Team zeigt, dass bereits mit einem minimalistischen Ansatz bedeutende Fortschritte möglich sind.

Diese Entwicklung könnte nicht nur die Forschung in der Chemie und Materialwissenschaft vorantreiben, sondern auch neue Möglichkeiten für die Industrie eröffnen. Unternehmen könnten von effizienteren Prozessen und Materialien profitieren, die durch solche Simulationen optimiert werden.

Insgesamt zeigt diese Studie, dass der Weg zu nützlichen Quantencomputern kürzer sein könnte als bisher angenommen. Die Fähigkeit, komplexe molekulare Reaktionen mit einem einzigen Ion zu simulieren, könnte die Art und Weise, wie wir chemische Prozesse verstehen und nutzen, grundlegend verändern.

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