Quantenrechner jongliert mit Hamiltonoperatoren

Ein Forschungsteam der Freien Uni­versität Berlin und von Google Quantum AI hat eine innovative Methode zur präzisen Bestimmung von Hamilton­operatoren entwickelt. Diese sind essenziell für das Verständnis und die Simulation physikalischer Systeme und spielen eine Schlüsselrolle in der Quanten­technologie. Die neu entwickelte Methode könnte künftig hochpräzise Quanten­simulationen ermöglichen.

Hamilton­operatoren, benannt nach William Rowan Hamilton, beschreiben die zeitliche Entwicklung physikalischer Systeme und sind sowohl in der klassischen Mechanik als auch in der modernen Quantenmechanik von Bedeutung. Die Frage, wie sich diese Operatoren aus Daten erlernen lassen, könnte entscheidend für die zukünftige Entwicklung von Quanten­technologien sein. Quanten­computer basieren nicht auf klassischen, sondern auf quanten­mechanischen Gesetzen und verwenden einzelne Atome oder Ionen als Rechen­einheiten. Tech-Unternehmen und Staaten investieren derzeit erheblich in die Erforschung und Entwicklung solcher Technologien.

Die Kooperation zwischen Google Quantum AI unter Leitung von Pedram Roushan und der Arbeitsgruppe von Jens Eisert an der Freien Universität begann mit einem Anruf eines Google-Kollegen, der Schwierigkeiten hatte, die Hamilton­operatoren des Sycamore-Quanten­chips präzise zu kalibrieren. Die anfänglichen Methoden reichten nicht aus; es war klar, dass nur Super­auflösungsmethoden den nötigen Durchbruch bringen konnten. „Diese Methoden überschreiten unter bestimmten Bedingungen fundamentale Grenzen der Auflösung“, erklärt Jens Eisert.

Doch die Umsetzung war alles andere als einfach: „Es dauerte drei Jahre intensiver Forschung, bis wir verstanden, wie man Hamilton-Lernen robust genug gestaltet, um es auf großangelegte Experimente anzuwenden“, erklärt der Quanten­physiker. Das Resultat: Der Sycamore-Chip, einer der präzisesten Quanten­computer der Welt, konnte so genau kalibriert werden wie nie zuvor. „Die neue Methode erhöht die Vorhersage­kraft und Präzision in der Quanten­technologie erheblich und schafft neue Möglichkeiten für Simulationen in der kondensierten Materie“, betont Jens Eisert von der Freien Universität Berlin. Dieses Projekt verdeutlichte zudem die essenzielle Rolle sowohl von Universitäten als auch High-Tech-Unternehmen in der Quanten­technologie. Die Kombination von Expertisen aus beiden Bereichen führte zu Ergebnissen, die allein nicht erreichbar gewesen wären.

FU Berlin / JOL