Ein internationales Forschungsteam, gefördert vom US-Energieministerium, hat gezeigt, dass Quantencomputer quantenmechanische Eigenschaften realer magnetischer Materialien präzise simulieren können. Die Ergebnisse stimmen mit Messungen aus Neutronenstreu-Experimenten nationaler US-Forschungslabore überein. Das eröffnet neue Wege für die Entwicklung von Supraleitern, Energiespeichern und Medikamenten.
Quantencomputer gelten seit Jahren als vielversprechende Werkzeuge für die Simulation komplexer Materialeigenschaften – doch bislang war unklar, ob die heutige Hardware auch quantitativ verlässliche Ergebnisse liefern kann. Eine neue Studie, die als Preprint veröffentlicht wurde, gibt darauf eine konkrete Antwort: Ja, das ist möglich – zumindest für ausgewählte magnetische Materialien.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des vom US-Energieministerium (DOE) geförderten Quantum Science Center haben gemeinsam mit IBM gezeigt, dass ein Quantencomputer den magnetischen Kristall KCuF₃ so simulieren kann, dass die Resultate mit realen Neutronenstreu-Experimenten übereinstimmen. Beteiligt waren das Oak Ridge National Laboratory, die Purdue University, die University of Illinois Urbana-Champaign, das Los Alamos National Laboratory sowie die University of Tennessee.
Jahrzehntelanger Traum wird zur messbaren Realität
Für Arnab Banerjee, Assistant Professor für Physik und Astronomie an der Purdue University, ist das Ergebnis ein persönlicher Meilenstein: „Der Einsatz eines Quantencomputers, um Neutronenstreudaten besser zu verstehen und mit experimentellen Daten zu vergleichen, ist seit über einem Jahrzehnt ein Ziel von mir.“ Dass dies nun erstmals nachweisbar gelungen ist, sieht er als Durchbruch für das gesamte Forschungsfeld.
Die hohe Simulationsgenauigkeit verdankt sich zwei Faktoren: quantenzentrierten Supercomputing-Workflows, die klassische und Quantenhardware produktiv kombinieren, sowie deutlich reduzierten Hardware-Fehlerraten bei den eingesetzten Quantenprozessoren. „Diese Ergebnisse wurden maßgeblich durch die heute erreichbaren Zwei-Qubit-Fehlerraten unserer Quantenprozessoren ermöglicht“, erklärt Abhinav Kandala, Principal Research Scientist bei IBM.
Das Experiment: Neutronen als Prüfstein
Neutronenquellen sind seit Langem ein etabliertes Mittel, um Quanteneigenschaften von Materialien zu untersuchen. Dabei wird gemessen, wie einfallende Neutronen Energie und Impuls mit den Spins im Material austauschen. Das Forschungsteam wählte den gut charakterisierten Kristall KCuF₃ als Testobjekt und stellte die Quantensimulation direkt den Neutronenstreu-Messungen gegenüber.
„Das ist die beeindruckendste Übereinstimmung, die ich bislang zwischen experimentellen Daten und Qubit-Simulationen gesehen habe“, sagt Allen Scheie, Festkörperphysiker am Los Alamos National Laboratory. Die Messlatte für künftige Quantensimulationen sei damit deutlich höher gelegt worden.
Quantenzentriertes Supercomputing als Forschungswerkzeug
Travis Humble, Director des Quantum Science Center am Oak Ridge National Laboratory, betont den wissenschaftlichen Stellenwert: „Quantensimulationen realistischer Materialmodelle und deren experimentelle Charakterisierung sind ein eindrucksvoller Beleg für den Einfluss, den Quantencomputing auf wissenschaftliche Entdeckungsprozesse haben kann.“
Durch die Programmierbarkeit eines universellen Quantenprozessors konnte das Team den Ansatz bereits auf Materialklassen mit komplexeren Wechselwirkungen ausweiten. Weitere Verbesserungen bei Fehlerraten und einer Erweiterung auf höhere Dimensionen sollen künftig Vorhersagen von Materialeigenschaften ermöglichen, die mit klassischen Methoden allein kaum zugänglich sind.
Langfristige Relevanz: Supraleiter, Medizin, Energie
Die Ergebnisse sind Teil eines breiteren Wandels im Einsatz von Quantencomputern auf wissenschaftliche Fragestellungen. Parallel laufen Projekte zur Simulation eines bislang unbekannten Halb-Möbius-Moleküls sowie eine hochskalierende Proteinsimulation in Zusammenarbeit mit der Cleveland Clinic. In Chemie, Materialwissenschaft und Molekularbiologie beginnt die Quantensimulation, grundlegende wissenschaftliche Fragen anzugehen.
Das angestrebte Ziel: wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Mehrwert durch eine enge Verzahnung von Quantenhardware und klassischem Hochleistungsrechnen. Die vorliegende Studie zeigt, dass dieser Weg prinzipiell gangbar ist – wenn auch weitere technische Fortschritte notwendig bleiben.
Dr. Jakob Jung ist Chefredakteur Security Storage und Channel Germany. Er ist seit mehr als 20 Jahren im IT-Journalismus tätig. Zu seinen beruflichen Stationen gehören Computer Reseller News, Heise Resale, Informationweek, Techtarget (Storage und Datacenter) sowie ChannelBiz. Darüber hinaus ist er für zahlreiche IT-Publikationen freiberuflich tätig, darunter Computerwoche, Channelpartner, IT-Business, Storage-Insider und ZDnet. Seine Themenschwerpunkte sind Channel, Storage, Security, Datacenter, ERP und CRM.
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