Das Quantencomputer-Unternehmen Quantinuum und ein DESY-Team unter Leitung von Karl Jansen, dem Leiter des Center of Quantum Technology and Applications (CQTA) bei DESY, haben einen wichtigen Meilenstein erreicht. Mit dem Quantencomputer H1 von Quantinuum untersuchten sie ein Modell der Gittereichtheorie, ein mathematisches Werkzeug, das grundlegende Prozesse der Natur beschreibt.

Zum ersten Mal waren sie in der Lage, die vollständige Wellenfunktion eines zweidimensionalen Confinement-Systems der Quanten-Elektrodynamik (QED) auf einem Quantenprozessor zu berechnen. Das Confinement beschreibt Systeme, in denen bestimmte Teilchen nicht ungebunden vorkommen können. Insbesondere konnten die Forschenden den Confinement-String, der die Teilchen in der QED zusammenhält, visualisieren und sogar das Phänomen des Aufbrechens dieses Strings darstellen – ein Problem, das mit klassischen Computern nur aufwändig zu untersuchen ist. Das Team, bestehend aus Arianna Crippa und Karl Jansen von DESY und Enrico Rinaldi von Quantinuum, nutzte Softwarepakete von Quantinuum, die es ermöglichten, die Größe ihres Quantenschaltkreises von 24 Qubits auf 15 zu reduzieren und so die Simulationen erheblich effizienter zu gestalten. Wie beispielsweise bei elektrischen Schaltkreisen auch gilt: Je kleiner ein Quantenschaltkreis ist, umso schneller und genauer arbeitet er.

Ein Schlüsselelement des Projekts war die Verwendung des H1-Quantencomputers von Quantinuum, eines Systems, das auf gefangenen Ionen basiert, beliebige Verbindungen zulässt und mit Langkohärenz-Qubits und High-Fidelity-Gates aufgebaut ist, Quantengattern, die mit besonders hoher Genauigkeit arbeiten.

Diese Forschung stellt einen wichtigen Schritt dar, um in Zukunft komplexere Systeme wie die Quanten-Chromodynamik (QCD) zu simulieren – die Theorie, die die starke Kraft beschreibt, die Atomkerne zusammenhält. Dies könnte dazu beitragen, fundamentale Fragen über das Universum zu beantworten, wie etwa, wie es entstanden ist, die Struktur von Neutronensternen und warum Materie sich so verhält, wie sie es tut.

„Unsere Zusammenarbeit mit Quantinuum hat es uns ermöglicht, neue Einblicke in physikalische Phänomene einer wichtigen Quantenfeldtheorie zu gewinnen“, sagt Jansen. Rinaldi ergänzt: „Ich freue mich, dass das Quantencomputing von der Hochenergiephysik-Community immer stärker eingesetzt wird. Die Forschung in unserem Bereich ist oft extrem rechenintensiv, und Quantencomputerwerden helfen, diese Anforderungen zu erfüllen. Unsere jüngsten Ergebnisse belegen das: Wir konnten die vollständige Wellenfunktion eines zweidimensionalen Confinement-Systemsmit nur 15 Qubits untersuchen. Stellen Sie sich vor, was wir mit 100 erreichen können.“ Auch Crippa zeigt sich begeistert:„Für mich als Doktorandin war die Zusammenarbeit mit Quantinuum bei diesem Projekt eine sehr bereichernde Erfahrung. Mit Experten für Quantencomputing-Technologien zusammenzuarbeiten, hat mir gezeigt, welches Potenzial im Quantencomputing steckt.“

Diese Arbeit ist Teil eines größeren globalen Vorhabens, Quantencomputer für die Hochenergiephysik einzusetzen. Wissenschaftler*innen weltweit untersuchen ähnliche Probleme mit unterschiedlichen Arten von Quantentechnologien. Die zu erwartenden Ergebnisse könnten zu neuen Durchbrüchen führen, die zeigen würden, dass Quantencomputer unser Verständnis des Universums revolutionieren könnten.