Quantenprozessor: Erstmals exotischer Materiezustand erzeugt

Quantenprozessoren sind in der öffentlichen Wahrnehmung vor allem als Hoffnungsträger für komplexe Berechnungen bekannt. Nun zeigt sich, dass sie auch als Plattform für die Grundlagenforschung in der Physik dienen können. Einem Team der TU München ist es gelungen, einen sogenannten Floquet-topologisch geordneten Zustand zu realisieren. Dabei handelt es sich um eine Quantenphase, die nur unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen existiert und in klassischen Aggregatzuständen wie fest, flüssig oder gasförmig nicht vorkommt.

Die Versuche wurden auf einem supraleitenden Quantenprozessor mit 58 Qubits durchgeführt. Durch periodische Anregungen, vergleichbar mit Laserpulsen, veränderten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Eigenschaften des Systems. In einem solchen Zustand kann das Material im Inneren völlig andere Eigenschaften aufweisen als an seinen Rändern – etwa Leitfähigkeit im Kern, während die Oberfläche isolierend bleibt. Solche Phänomene sind mit klassischer Technik nicht herstellbar. Laut Erstautorin Melissa Will von der TU München stoßen herkömmliche Rechner bei der Simulation dieser hochgradig verschränkten Nicht-Gleichgewichtsphasen an ihre Grenzen.

Will erklärt:

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Quantenprozessoren nicht nur Rechenmaschinen sind – sie sind auch leistungsstarke experimentelle Plattformen zur Entdeckung und Untersuchung völlig neuer Aggregatzustände“.

Die Experimente wurden aus der Ferne auf Googles Quantenprozessoren Sycamore mit 72 Qubits sowie Willow mit 105 Qubits durchgeführt. Beide Systeme sind für Forschungszwecke zugänglich und ermöglichen es, Konzepte wie die neu entdeckten Quantenphasen praktisch zu testen. Für die Zukunft erwarten die Forschenden, dass Quantenprozessoren eine immer wichtigere Rolle nicht nur in der Informatik, sondern auch in der Materialwissenschaft und der theoretischen Physik spielen werden.