Quantensprung im Computing
Die Welt der Quanten ist ein eher bizarrer Ort, an dem oft Phänomene auftreten, die der Intuition widersprechen. Die Supraleitung, bei der bestimmte Materialien unterhalb einer Sprungtemperaturen einen elektrischen Widerstand von exakt Null besitzen, ist ein Paradebeispiel für ein solch eigenartiges Verhalten. Verständnis und Beschreibung der Phänomene auf Quantenebene erfordern aufwändige mathematische Modelle und komplexe Gleichungen. Vielen von ihnen, wie auch die Bardeen-Cooper-Schrieffer-Molekularfeldtheorie zur Erklärung der der Supraleitung in Metallen (BCS-Theorie), haben nur Annäherungen an die Realität zu bieten. Die BCS-Theorie beschreibt die Supraleitung als mikroskopischen Effekt, der durch eine "Kondensation" von Elektronenpaaren in ein bosonenähnlichen Zustand verursacht wird. Zur Untersuchung komplizierterer Quantenkorrelationen müssen die Forscher auf Methoden zurückgreifen, die über die Molekularfeldtheorie hinausgehen. Ein vielversprechender Kandidat ist das Richardson-Gaudin-Modell (RG), das mathematische Gleichungen liefert, die exakt gelöst werden können. Dieses Verfahren ist jedoch aufgrund der auftretenden resultierenden Singularitäten eher umständlich, was erklärt, warum den RG-Modellen bisher die Aufmerksamkeit versagt blieb, die sie durchaus verdient hätten. Das Quantum Modelling-Projekt ("New computational tools for the modelling of correlations in quantum systems") sollte nun die Erkenntnisse aus exakt lösbaren Modellen wie dem Richardson-Gaudin-Modell dazu verwenden, die Genauigkeit der Quanten-Monte-Carlo-Simulation (QMC) für die Modellierung korrelierter Quantensysteme zu verbessern. Dazu gehören Gase aus ultrakalten Atomen, Kernmaterie und nichtkonventionelle Supraleiter. QMC - benannt nach dem berühmten Casino - ist eine große Klasse von Computeralgorithmen, die Quantensysteme simulieren, um das Quanten-Vielteilchenproblem zu lösen. Einer der wirklich großen Durchbrüche innerhalb des Projekts war die Entwicklung eines Computercodes, der die RG-Gleichungen auch für Tausende Teilchen effizient lösen kann. Hier wird der Weg für den Einsatz von RG-Modellen geebnet, um Korrelationen in Quantensystemen, insbesondere für ultrakleine Metallkörner, Atomkerne und p-Wellen-Supraleiter analysieren zu können. RG-Gleichungen beschreiben die Quantenkorrelationen im Idealzustand einer Temperatur von absolut Null. Sie beschreiben überdies Paarkorrelationen in Atomkernen. Die beteiligten Forscher planen außerdem die Freigabe des Computercodes unter einer quelloffenen Lizenz, um den Nutzen und die Auswirkungen der Quantenmodelling auf die Wissenschaft zu maximieren.
