Forscher haben einen bedeutenden Sprung in der Quantensimulation gemacht und den bislang größten und am besten kontrollierbaren Simulator geschaffen – Quantum Twins genannt – der in der Lage ist, komplexe Materialien mit beispielloser Genauigkeit zu modellieren. Dieser Durchbruch könnte die Entdeckung neuer Materialien mit revolutionären Eigenschaften beschleunigen, einschließlich Supraleitern, die unter praktischen Bedingungen funktionieren.
Die Kraft der Quantensimulation
Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, die über die Möglichkeiten klassischer Computer hinausgehen. Quantensimulatoren verfolgen einen anderen Ansatz: Anstatt Lösungen zu berechnen, nachbilden sie Quantensysteme direkt. Dies ist besonders wertvoll für die Materialwissenschaften, da viele Materialeigenschaften – wie etwa die Supraleitung – auf Quanteneffekten beruhen, die auf normalen Computern nur schwer zu berechnen sind.
Herkömmliche Simulationen haben Probleme mit großen Systemen und komplexen Interaktionen. Quantensimulatoren umgehen diese Einschränkung, indem sie das Verhalten von Elektronen in Materialien direkt nachahmen und so eine Abkürzung zum Verständnis und Design exotischer Materialien bieten.
Quantenzwillinge bauen
Der Quantum Twins-Simulator wurde durch die Einbettung von Phosphoratomen in Siliziumchips gebaut. Jedes Atom dient als Qubit – die grundlegende Einheit der Quanteninformation – und die Forscher ordneten diese Qubits präzise an, um die atomare Struktur realer Materialien nachzuahmen.
Die aktuelle Iteration von Quantum Twins besteht aus Gittern mit 15.000 Qubits und übertrifft damit frühere Simulatoren. Entscheidend ist, dass das Team auch die elektronischen Eigenschaften des simulierten Materials kontrolliert, indem es einstellt, wie leicht sich Elektronen innerhalb des Gitters bewegen oder interagieren. Dieses Maß an Kontrolle ist für eine genaue Modellierung unerlässlich.
Erste Ergebnisse und Zukunftsaussichten
Das Team testete den Simulator, indem es ein bekanntes Modell nachbildete, das zeigt, wie sich Defekte auf die elektrische Leitfähigkeit auswirken. Die Ergebnisse bestätigen die Fähigkeit des Simulators, mit komplexen Systemen umzugehen, die klassische Computer herausfordern.
Mit Blick auf die Zukunft ist Quantum Twins bereit, einige der größten Herausforderungen in der Materialwissenschaft zu bewältigen:
- Supraleiter bei Raumtemperatur: Aktuelle Supraleiter erfordern extreme Kälte oder Druck. Quantensimulation könnte dabei helfen, Materialien zu entwickeln, die bei Umgebungsbedingungen supraleitend sind, und so die Energieübertragung und -speicherung revolutionieren.
- Wirkstoffentdeckung und künstliche Photosynthese: Die Simulation von Grenzflächen zwischen Metallen und Molekülen könnte die Entwicklung neuartiger Medikamente und effizienterer künstlicher Photosynthesegeräte beschleunigen.
Warum das wichtig ist
Die Fähigkeit, Materialien auf Quantenebene genau zu modellieren, ist bahnbrechend. Es geht nicht nur um schnellere Berechnungen; Es geht darum, Materialien mit Eigenschaften zu entwerfen, die derzeit nicht erreichbar sind. Dieser Durchbruch bringt Forscher näher an die Entwicklung von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften heran und könnte möglicherweise große Herausforderungen in den Bereichen Energie, Medizin und darüber hinaus lösen.
„Der Umfang und die Kontrollierbarkeit, die wir mit diesen Simulatoren erreicht haben, bedeuten, dass wir nun bereit sind, einige sehr interessante Probleme anzugehen“, sagt Michelle Simmons, leitende Forscherin des Projekts.
Diese Entwicklung deutet auf eine Zukunft hin, in der Materialien Atom für Atom entworfen werden und Eigenschaften freisetzen, von denen wir heute nur träumen können.
