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Artikel vom Donnerstag, 16. Mai 2019

Eine Traminerin im Quantendurchbruch

Mit einer neu entwickelten Methode in der Quantenberechnung untermauern Innsbrucker Forscher einmal mehr ihren Ruf als herausragenden Quanten-Standort. Maßgeblich daran beteiligt ist auch die Traminerin Christine Maier. Im Interview erklärt sie unter anderem die bahnbrechende Entwicklung und wie mehr Frauen an hochtechnologische Berufe herangeführt werden können.

Innsbrucker Forscher tüfteln an einer neu entwickelten Methode in der Quantenberechnung.

Innsbrucker Forscher tüfteln an einer neu entwickelten Methode in der Quantenberechnung. - Foto: shutterstock

„Dolomiten“: Sie gehören zur Forschungsgruppe, die mit einem Quanten-Coprozessor bahnbrechende Erkenntnisse für bisher kaum lösbare Fragestellungen in der Chemie, Materialforschung und Hochenergiephysik ermöglichen. Worin besteht dieser Durchbruch?
Christine Maier: Wir beschäftigen uns an unserem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) unter anderem mit Quantensimulation. Phänomene aus der Quantenwelt zu untersuchen ist oft schwierig, weil beispielsweise Festkörper nun mal schlecht zugänglich sind, um das Verhalten einzelner Bausteine zu sehen. Vor allem dann, wenn es um das Verhalten von Quantensystemen mit vielen Teilchen geht, ist die Berechnung am Computer schwierig. Schließlich steigt für jedes zusätzliche Teilchen der Rechenaufwand exponentiell an – also mal 2. Ein Beispiel: Möchte man ein Quantensystem mit 70 Teilchen bzw. Quantenbits vollständig am PC simulieren, bräuchte es einen Zettabyte Speicherplatz – das ist bereits mehr als die gesamte Menschheit zur Verfügung hat.

Christine Maier. - Foto: D

„D“: Doch ihr habt nun eine Lösung gefunden und eine spezielle Methode entwickelt, oder?
Maier: Wir haben ein Problem aus der Hochenergiephysik betrachtet, da geht es um das Schwingermodell. Da sieht man sich die Entstehung von Teilchen und Antiteilchen an, zugleich auch deren Vernichtung. Ähnlich wie beim Urknall werden also aus purer Energie Teilchen und Antiteilchen-Paare gebildet. Bei der folgenden Vernichtung wird wieder Energie freigesetzt, das ist ein grundlegendes Phänomen in der Physik. Wir nutzen nun einen programmierbaren Ionenfallen-Quantencomputer mit 20 Quantenbits als Quanten-Coprozessor. Somit können die Berechnungen, die von klassischen Computern nicht mehr geleistet werden können, ausgelagert werden. Mit dieser Methode, die wir entwickelt haben, können wir damit Systeme mit viel mehr Teilchen untersuchen, als bisher möglich war. Im Mai wollen wir unser Experiment so umbauen, dass wir uns 50 Teilchen ansehen können. In diesem Bereich ist nun Innsbruck führend, und mit diesem Zugang bringen wir die Simulation von alltagsrelevanten Quantenproblemen in greifbare Nähe. Diese Art der Simulation – also Variationssimulation – hat auch Anwendungen bei Molekülberechnungen in der Chemie. An dieser Simulation von Quantenchemie sind auch große Firmen wie Google und Microsoft interessiert.

„D“: Ausgerechnet IT-Konzerne?
Maier: Ja, solche Firmen haben Ressourcen und die nötigen Finanzmittel. Die Idee ist ja, dass der Quantencomputer Sachen berechnet, wo ein klassischer Computer am Ende angelangt ist. Deshalb sind solche Unternehmen interessiert, damit sie nicht die Oberhand in der Berechnungsbranche verlieren.

„D“: Das Innsbrucker Institut spielt in dieser High-Tech-Liga tatsächlich ganz vorne mit?
Maier: Innsbruck zählt zu den weltweit führenden Standorten in Sachen Quantensimulation – sowohl im Experiment als auch in der Theorie.
„D“: Mit welchen Geräten arbeiten Sie im Labor?
Maier: Unter anderem mit Lasern und Vakuumkammern, die etwas größer sind als ein Fußball, die unter Ultrahochvakuum stehen. Einzelne Atome werden dort mit dem Laser bestrahlt, und diese Quanten dienen als Grundlage unserer Berechnungen. Die Forschung umfasst viel Optik, Elektronik und Programmiertätigkeit.

„D“: Wie groß ist der Aufwand bei diesem Projekt?
Maier: Das Labor gibt es seit über 10 Jahren, das gesamte Experiment hat sich in diesem Zeitraum mitentwickelt. An der Variationssimulation haben wir über ein halbes Jahr gearbeitet, man verbessert dabei ständig den Apparat. Die Messzyklen müssen extrem schnell abgewickelt werden, für so ein Feedbackloop zwischen dem Experiment und dem klassischen Optimieralgorithmus sind 2000 Schritte nötig. Im Experiment sind wir zu dritt, die Theorie umfasst auch 2 bis 3 Forscher. Dr. Christian Roos ist der Supervisor des Projekts, Professor Blatt ist der Chef.

„D“: Woher kommt Ihr Interesse für die Quantenphysik?
Maier: Ein Interesse für Naturwissenschaften war schon immer vorhanden, so habe ich das Realgymnasium in Bozen besucht und dann eben an der Uni das Physikstudium begonnen. Nach dem Bachelor und Master folgt nun noch die Doktorarbeit über Quantensimulation mit langen Ketten gefangener Ionen.

„D“: Studienabgänger in MIT-Berufen sind sehr gefragt. Wie kann man dort den bescheidenen Frauenanteil erhöhen?
Maier: Bei uns gibt es immer mehr Frauen am Institut, was spezifischen Initiativen zuzuschreiben ist. Auch einer unserer Professoren setzt sich stark ein, dass Interesse schon im Kindergarten geweckt wird. Ich glaube schon, dass das Grundinteresse schon bei jedem Kind vorhanden ist und sich für lustige Physikexperimente begeistern kann.

„D“: Wie gelingt es Ihnen, abzuschalten?
Maier: Im Labor sehen wir kein Tageslicht, deshalb ist bei mir als Ausgleich viel Natur und Sport angesagt, schließlich bin ich auch noch AVS-Jugendführerin in Tramin: Wandern, Skifahren, Radfahren, Klettern – zu jeder Jahreszeit braucht es etwas.

D/az

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