Quantenoptimierung mit Atomen und Licht

Wenn wir im Leben vor die Wahl zwischen vielen Möglichkeiten gestellt werden ist es manchmal gar nicht so einfach sich zu entscheiden. Besonders viele Optionen gibt es in Situationen bei denen es um die Reihenfolge oder die Anordnung von Objekten geht, sogenannte kombinatorische Probleme. Ein bekanntes Beispiel ist das Kofferpacken für eine Flugreise: angenommen wir möchten gerne unsere Lieblings-Kleidungsstücke mitnehmen, aber leider übersteigt ihr Gesamtgewicht das erlaubte Gepäckgewicht der Fluglinie. Wir versuchen also möglichst viele Kleidungsstücke in dem Koffer unterbringen, ohne das erlaubte Gewicht zu überschreiten. Die beste Lösung unter all den vielen Kombinationen zu finden ist nicht einfach: schon bei einem Dutzend Kleidungsstücken kann die Anzahl der Möglichkeiten in die Millionen gehen. Kombinatorische Optimierungsprobleme treten nicht nur beim Kofferpacken auf, sondern z.B. auch in der Logistik, der Medizin, oder der Chemie. Gleichzeitig gehören sie für unsere Computer zu den herausforderndsten Problemen überhaupt, weil für die Lösung alle unzähligen Möglichkeiten einzeln durchsucht und bewertet werden müssen. Erfreulicherweise schafft die Quantenphysik hier Abhilfe: wenn wir das Problem in ein quantenmechanisches System programmieren könnten, dann wäre es denkbar Optimierungsprobleme von ungeahnten Dimensionen zu lösen. Die Idee liegt darin, dass das Quantensystem in eine Überlagerung mehrerer Möglichkeiten gebracht werden kann; das erlaubt es, alle Möglichkeiten gleichzeitig zu durchsuchen und damit viel schneller die optimale Lösung finden. In den letzten Jahren wurden außerordentliche Fortschritte in der Realisierung solcher Quantensysteme gemacht. Ein zentraler Baustein bereitet jedoch weiterhin Schwierigkeiten: um Optimierungsprobleme zu lösen bedarf es einer speziellen Kopplung innerhalb des Quantensystems, die auch weit entfernte Teilchen miteinander verknüpfen kann. Das steht im Kontrast zu den meisten Wechselwirkungen in der Physik, weil sie normalerweise nur zwischen benachbarten Teilchen wirken. Es bleibt eine Herausforderung, wie man eine solche Fernwirkung realisieren kann. Hier setzt dieses START-Projekt an. Ziel ist es, alle Teilchen im Quantensystem gleichzeitig an ein einziges Lichtfeld zu koppeln, das dann Information durch das gesamte System leitet. Das kann man sich wie eine Busverbindung vorstellen, die Daten wie Passagiere zwischen allen Haltestellen bewegen kann. Ein solcher Quantenprozessor würde genau die Fernwirkung erzeugen, die zum Lösen von Optimierungsproblemen benötigt wird. Neben den breiten praktischen Anwendungen wirft ein solches Quantensystem auch fundamentale Fragen der Physik auf. Der Einfluss von langreichweitigen Wechselwirkungen auf Quantenzustände bleibt eines der spannendsten Kapitel der heutigen Festkörperphysik. Dieses Projekt wird zu unserem Verständnis von solchen Systemen beitragen, und birgt damit das Potential in Zukunft Materialien mit neuen, exotischen Eigenschaften herstellen zu können.