Quantentechnologien für Gittereichtheorien (QTFLAG)

Die Entwicklung von Quanten Technologien führte in den letzten Jahrzehnten von der Realisierung von wichtigen Grundlagen Experimenten zu ersten kommerziellen Lösungen. Die Anwendungen in diesem Gebiet sind vielfältig und reichen von Quanten Sensoren für Hochpräzisions-Messungen über Quanten Kommunikationssysteme bis hin zu Quanten Simulationen. Vor kurzem wurde die Simulation von Gittereichtheorien als unerwartetes Anwendungsfeld entdeckt. Eichtheorien beschreiben einige der fundamentalsten und faszinierendsten Prozesse in der Natur: Sie erklären nicht nur die Wechselwirkung von Elementarteilchen die durch das Standard Modell beschrieben werden, sondern auch Modelle der kondensierten Materie in denen exotisches Quantenverhalten wie topologische Ordnung vorkommen kann. Obwohl Eichtheorien die Grundlage unseres Verständnisses dieser wichtigen und grundlegenden Wechselwirkungen und Phänomene sind, können dynamische Probleme und Situationen mit endlicher Fermionen Dichte nur in sehr begrenztem Umfang behandelt werden. Dies liegt an dem berühmt-berüchtigten Vorzeichen Problem das gängige numerische Methoden ineffektiv macht. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung von neuen Ansätzen die nicht diesen Limitierungen unterliegen und somit den Weg für vollkommen neue Forschungsmöglichkeiten eröffnen. Diese Methoden werden es erlauben verschiedene Eichtheorien zu simulieren und somit eines Tages wichtige offene Fragen in der Quantenchromodynamik und der Physik des frühen Universums zu klären. Die Resultate des Projekts werden die erste Generation solcher Simulationen ins Leben rufen und in ihrer Langzeitentwicklung verschiedener Gebiete im Bereich der Materialwissenschaften, Quanten Chemie und Astrophysik beeinflussen.

Berechnungen mit Quantenteilchen werden schnell unlösbar komplex. Die Verwendung von Quantensystemen für die Durchführung solcher Berechnungen, d. h. eines "Quantencomputers", umgeht diese Schwierigkeit: Der Quanten Charakter des Rechengeräts entspricht dem Quanten Charakter des Problems. Die Wechselwirkungen der fundamentalen Teilchen werden durch Eichtheorien verstanden. Im Jahr 2016 präsentierte die Universität Innsbruck die erste Quantensimulation für eine Eichtheorie der Teilchenphysik. Dieses Experiment wurde von Physics World zu einem der "Top 10 breakthroughs in physics in 2016" gewählt, galt aber nur für eine Teilmenge von Eichtheorien. Es gibt zwei verschiedene Arten, abelsche und nicht-abelsche Eichtheorien. Abelsche Theorien beschreiben elektrische Kräfte und reichen nicht aus, um selbst so etwas Einfaches wie den Kern eines Wasserstoffatoms zu erklären. Nicht-Abelsche Theorien werden benötigt, um zu erklären, wie Baryonen wie Protonen gebildet werden. Die Simulation nicht-abelscher Materie wird von der wissenschaftlichen Gemeinschaft als zentrale Herausforderung für die Entfaltung des Potenzials von Quantensimulationen von Eichtheorien angesehen. Im Jahr 2021 gelang dem Projektteam von QTFLAG die erste Quantensimulation mit nicht-Abelscher Materie. Da die derzeitigen Quantencomputer klein sind und keine Fehlerkorrektur bieten, erwies sich die Durchführung von Berechnungen mit nicht-abelscher Materie bis zu dieser Arbeit als zu komplex. Das Team meisterte die Herausforderung, indem es seine frühere Arbeit erweiterte und eine neue Methode einführte, die Teile eines Quantenschaltkreises identifiziert, die nicht auf Quantenbasis ausgeführt werden müssen, und sie einem normalen Computer überlässt. Dies ermöglichte ein Experiment auf einem supraleitenden Quantencomputer, das den konzeptionellen Rahmen für die Simulation nicht-Abelscher Materie durch die Berechnung der Massen der leichtesten Hadronen in einem eindimensionalen Benchmarking-Modell demonstrierte. Die Arbeit stellt die erste Quantensimulation eines Baryons dar, das in abelschen Theorien nicht existieren kann. Dies ist ein bahnbrechender Fortschritt: Erstens liefert er das Verständnis dafür, wie nicht-abelsche Materie mit Hilfe hybrider quantengestützter Berechnungen simuliert werden kann. Zweitens demonstriert es die Leistungsfähigkeit dieses Rahmens in einem Proof-of-Concept-Experiment. Auswirkungen: Zahlreiche Probleme in der Teilchenphysik sind mit herkömmlichen Ansätzen unlösbar, nicht aber für Quantencomputer. Beispiele hierfür sind die Echtzeitdynamik (z. B. Teilchenkollisionen oder Paarbildung) und Materie mit hoher Dichte (wie in Neutronensternen oder dem frühen Universum). Die neuen bahnbrechende Ergebnisse zeigen den Nutzen des quantengestützten Rechnens für unser Verständnis der Natur auf der grundlegendsten Ebene und einen praktischen Ansatz für dessen Umsetzung.