Quantensimulation
Die Theorie der relativistischen Quantenmechanik (RQM) betrachtet die Ausbreitung massenhafter sowie masseloser Teilchen bei verschiedenen Geschwindigkeiten, einschließlich annähernder Lichtgeschwindigkeit. Sie ist erfolgreicher als die ursprüngliche Quantenmechaniktheorie, etwa bei der Vorhersage von Antimaterie und Elektronenspin. Das Schlüsselergebnis liefert die Dirac-Gleichung, da sie Vorhersagen automatisch erstellen kann. Das EU-finanzierte Forschungsprojekt "Quantum simulations of relativistic systems" (QURELSIM) hat diesem Wissenschaftssektor neue Möglichkeiten eröffnet. Es untersuchte speziell Szenarien, die für die Simulation relativistischer Quantensysteme in steuerbaren Systemen relevant sind, z. B. eingefangene Ionen in der Quanten-Computing-Architektur. In Unterthemen des Projekts wurden Interaktionen von Dirac- und Majorana-Fermionen, phänomenologische Potenzialsimulationen der Quantenchromodynamik (QCDS), Ladungsfraktionalisierung sowie topologische Effekte für Dirac-Felder und spontane Symmetrien zu interagierenden Fermionen untersucht. Ein großer Erfolg war die Entdeckung eines Protokolls für effiziente Quantensimulationen zu Fermion- und Bosontheorien über eingefangene Ionen. Das Forscherteam nutzte für seine Ergebnisse die Quantensimulationsmodelle von Hubbard und Fröhlich; ihre Methoden sind auch für aktuelle Supraleitertechniken relevant. Das Projekt hat das Forschungswissen über Quantensimulationen in berechenbaren, physikalisch aber unmöglichen Verfahren sowie die Vielseitigkeit der Methoden erweitert. Die Forschungen werden sich nachhaltig auf verwandte Bereiche wie Hochenergiephysik, Quantenchemie, Quantenoptik und Computersimulationen auswirken.
