Stellen Sie sich vor, Sie würden Materie auf Quantenebene heranzoomen, wo winzige Teilchen in mehr als einer Billion Konfigurationen gleichzeitig interagieren können. Das klingt kompliziert, und das ist es auch: Physiker sind oft auf Supercomputer oder sogar Künstliche Intelligenz angewiesen, um solche Quantensysteme und ihre möglichen Zustände zu simulieren. Was wäre aber, wenn viele dieser Probleme stattdessen auf einem gewöhnlichen Laptop gelöst werden könnten?
Physiker wissen seit Jahren, dass dies möglich ist, aber die Umsetzung war bisher sehr kompliziert. Nun haben Physiker der University at Buffalo uns diesem Ziel einen großen Schritt näher gebracht. Sie haben eine rechnerisch kostengünstige Methode namens „truncated Wigner approximation” (TWA) – eine Art physikalische Abkürzung, die Quantenmathematik besser handhabbar macht – auf Probleme ausgeweitet, für die bisher enorme Rechenleistung erforderlich war.
Ebenso wichtig ist, dass der Ansatz auch eine praktische, benutzerfreundliche TWA-Vorlage bietet, mit der Physiker ihr Problem eingeben und innerhalb weniger Stunden brauchbare Ergebnisse erhalten können. „Unser Ansatz bietet deutlich geringere Rechenkosten und eine viel einfachere Formulierung der dynamischen Gleichungen“, sagt der korrespondierende Autor der Studie, Jamir Marino, PhD, Assistenzprofessor für Physik am UB College of Arts and Sciences. „Wir glauben, dass diese Methode in naher Zukunft das wichtigste Werkzeug für die Erforschung dieser Art von Quantendynamik auf handelsüblichen Computern werden könnte.“ Marino, der seit diesem Herbst an der UB tätig ist, führte die Arbeiten zu dieser Studie während seiner Zeit an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Deutschland durch.
Ein semiklassischer Ansatz
Nicht jedes Quantensystem lässt sich exakt lösen. Dies wäre auch nicht praktikabel, da die erforderliche Rechenleistung mit zunehmender Komplexität des Systems exponentiell wächst. Stattdessen greifen Physiker häufig auf die sogenannte semiklassische Physik zurück – einen Mittelweg, bei dem gerade so viel Quantenverhalten berücksichtigt wird, dass die Genauigkeit gewährleistet ist, während Details, die kaum Einfluss auf das Ergebnis haben, vernachlässigt werden.
TWA ist ein solcher semiklassischer Ansatz, der bis in die 1970er Jahre zurückreicht, jedoch auf isolierte, idealisierte Quantensysteme beschränkt ist, in denen keine Energie gewonnen oder verloren geht. Deshalb hat Marinos Team TWA auf die komplexeren Systeme der realen Welt ausgeweitet, in denen Teilchen ständig von äußeren Kräften hin- und hergedrückt werden und Energie an ihre Umgebung abgeben, was auch als dissipative Spindynamik bezeichnet wird.
„Viele Gruppen haben dies vor uns versucht. Es ist bekannt, dass bestimmte komplizierte Quantensysteme mit einem semiklassischen Ansatz effizient gelöst werden können“, sagt Marino. „Die eigentliche Herausforderung bestand jedoch darin, ihn zugänglich und einfach anzuwenden zu machen.“
Quantendynamik leicht gemacht
In der Vergangenheit standen Forscher, die TWA einsetzen wollten, vor einer Wand aus Komplexität. Sie mussten die Mathematik jedes Mal von Grund auf neu ableiten, wenn sie die Methode auf ein neues Quantenproblem anwendeten. Deshalb verwandelte Marinos Team die ehemals seitenlangen, fast undurchdringlichen mathematischen Formeln in eine übersichtliche Umrechnungstabelle, die ein Quantenproblem in lösbare Gleichungen übersetzt. „Physiker können diese Methode im Grunde genommen an einem Tag erlernen, und am dritten Tag sind sie bereits in der Lage, einige der komplexesten Probleme zu lösen, die wir in der Studie vorstellen“, sagt Chelpanova.
Supercomputer für die großen Probleme aufsparen
Die Hoffnung ist, dass die neue Methode Supercomputing-Cluster und KI-Modelle für die wirklich komplizierten Quantensysteme aufsparen wird. Das sind Systeme, die mit einem semiklassischen Ansatz nicht gelöst werden können. Systeme mit nicht nur einer Billion möglicher Zustände, sondern mit mehr Zuständen, als es Atome im Universum gibt.
„Vieles, was kompliziert erscheint, ist in Wirklichkeit gar nicht so kompliziert“, sagt Marino. „Physiker können Supercomputing-Ressourcen für die Systeme nutzen, die einen vollwertigen Quantenansatz erfordern, und den Rest mit unserem Ansatz schnell lösen.“
