QTFLAG

Eichtheorien beschreiben einige der grundlegendsten und faszinierendsten Prozesse in der Natur, von der Wechselwirkung der elementaren Hochenergieteilchen – beschrieben durch das Standardmodell – zu Systemen kondensierter Materie. Eine weitverbreitete Herangehensweise zur tatsächlichen Simulation physikalischer Systeme, die durch Eichtheorien modelliert werden, liefern sogenannte Monte-Carlo-Methoden. Insbesondere zur Beschreibung von komplexen Systemen, die beispielsweise eine hohe Dynamik aufweisen, stoßen diese Monte-Carlo-Methoden allerdings an ihre Grenzen. Dies begründet sich in intrinsischen Limitationen der Monte-Carlo-Methoden – vor allem das unter Theoretikern bekannte Vorzeichen-Problem führt dabei zu Schwierigkeiten.

Aus diesem Grunde bedarf es neuer theoretischer Methoden, um tatsächlich auch Eichtheorien umfassender zu nutzen. Nur auf diese Weise wird es möglich, beispielsweise die physikalischen Prozesse in einem Quantencomputer theoretisch zu beschreiben. Dies ist ein wichtiger Baustein für dessen technologische Realisierung.

Aus den Beschränkungen der Monte-Carlo-Methoden ergibt sich das Ziel des QTFLAG-Projekts. Es soll ein ein neues quantenbasiertes experimentelles und theoretisches Werkzeug erforscht werden, um stark korrelierte Vielteilchen-Quantensysteme zu simulieren. Da Eichtheorien grundsätzlich ein umfassendes theoretisches Rüstzeug liefern, können viele Phänomene im Bereich der Teilchen- und Festkörperphysik in diesem Rahmen beschrieben werden. Der Fokus dieses Projekts liegt im Bereich der Quantensimulation. Dazu werden verschiedene Ansätze, wie beispielsweise auf Basis einer mathematischen Beschreibung mittels Tensor-Netzwerken, erforscht.

Diese theoretischen Methoden haben aber allerdings nur einen praktischen Nutzen, wenn sie sich auch wirklich in einem Experiment umsetzen lassen. Deshalb arbeiten im QTFLAG-Projekt Theoretiker eng mit Experimentatoren in einem Forscherverbund zusammen. So werden die theoretischen Methoden spezifisch angepasst und letztlich in unterschiedlichen Hardware-Plattformen – basierend auf kalten Atomen, gefangenen Ionen sowie supraleitenden Schaltkreise – implementiert.

Bei erfolgreichem Projektverlauf wird ein effizienterer theoretischer Rahmen geschaffen worden sein, um Quantensimulationen in einer der Hardware-Plattformen durchzuführen. Dies kann als wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem skalierbaren Quantencomputer gewertet werden. Somit trägt das Projekt einen wichtigen Baustein dazu bei, aus den derzeitigen Visionen eines Quantencomputers tatsächlich Wirklichkeit werden zu lassen. Zu diesen Visionen zählen beispielsweise maßgeschneiderte Medikamente, beruhend auf optimierten Simulationen von Molekülstrukturen, oder auch eine verbesserte Verkehrssituation in den Innenstädten durch eine hochintelligente Steuerung des Verkehrsflusses.