Atome auf unterhaltsame Weise manipulieren

Ein Spiel, das von Partnern einer EU-Initiative eingeführt wurde, wird einen Beitrag zur Forschung und Lehre im Bereich atomarer Wechselwirkungen leisten. Dies wird letztlich bei der Entwicklung von Quantencomputing-Technologien behilflich sein.

Aufgrund ihres Potentials, Berechnungen durchführen zu können, die weit über das Vermögen herkömmlicher Supercomputer hinausgehen, wird davon ausgegangen, dass Maschinen, die bestimmte Phänomene der Quantenphysik nutzen, die Art und Weise, in der die Welt komplexe Probleme löst, verändern werden. Die Maschinen werden Wissenschaftlern bei der Entwicklung effizienterer Solarzellen und wirksamerer Arzneimittel helfen und sogar Auswirkungen auf die künstliche Intelligenz haben. Dies liegt daran, dass Quantencomputer – im Gegensatz zu heutigen Computern, die durch die Manipulation von binären Bits funktionieren, welche in zwei Zuständen, 0 und 1, existieren – Qubits oder Quantenbits nutzen. Diese repräsentieren den Zustand eines Atoms oder Elementarteilchens (wie z. B. ein Spin) und sind dazu fähig, mehrere Werte gleichzeitig zu speichern – ein Phänomen, das als Superposition bezeichnet wird.

Diese Systeme beinhalten das Konzept der Quantenverschränkung – die Albert Einstein einst als spukhafte Fernwirkung bezeichnete. Sie lassen sich nicht unabhängig voneinander beschreiben, ganz gleich, wie weit entfernt sie voneinander sind. Dank dieser Verschränkungseigenschaft könnten individuelle Qubits so miteinander verbunden werden, dass sie Informationen über den Rest des Registers besitzen. Hierdurch können Quantencomputer Daten simultan anstatt sequentiell verarbeiten, während Algorithmen in Rekordzeit ausgeführt werden. Doch die Erzeugung einer Verschränkung und die Handhabung von Qubits ist eine echte Herausforderung.

Vor diesem Hintergrund hat Projekt RYSQ (Rydberg Quantum Simulators) große Fortschritte für das wissenschaftliche Verständnis von Vielteilchen-Quantensystemen erzielt. Das Projekt endete 2018, doch ein Team von Wissenschaftlern, Spieleentwicklern, Designern und visuellen Künstlern, das beim Projektpartner Universität Aarhus ansässig ist, entwickelte vor Kurzem eine unterhaltsame Methode, um die Dynamik komplexer Systeme zu vermitteln. Das Team ist davon überzeugt, dass sein Spiel und der Simulator namens Rydbergator für das Gebiet des Quantencomputing nützlich sein könnten.

Wie funktioniert das?

Das Spiel ist auf Atome fokussiert, die miteinander in großer Entfernung in Wechselwirkung stehen. Wie auf der Website des Teams zu sehen ist, nutzt das Spiel das Atommodell des dänischen Physikers Niels Bohr, bei dem Elektronen innerhalb der Atome zwischen verschiedenen Zuständen hin- und herspringen. Diese Zustände werden als Grundzustand und angeregter Zustand bezeichnet. Der Grundzustand bezeichnet das Energieniveau, das ein Elektron normalerweise belegt. Falls das Atom zusätzliche Energie erhält, z. B., wenn es ein Photon oder ein Lichtpaket absorbiert, oder wenn es mit einem angrenzenden Atom oder Teilchen kollidiert, kann ein Elektron den angeregten Zustand erreichen.

Auf der gleichen Website heißt es: „Das Modell berücksichtigt spektroskopische Untersuchungen durch den schwedischen Wissenschaftler Johannes Rydberg, und es offenbart insbesondere, dass Elektronen in großer Entfernung den Atomkern umkreisen können, ganz so wie die äußeren Planeten des Sonnensystems. Diese Orbits werden als Rydberg-Zustände bezeichnet, bei denen sich das Elektron des Atoms in einem Orbit befindet, der weit von dem Ionenkern entfernt ist.“ Wenn dies geschieht, werden sogar Elektronen in anderen weit entfernten Atomen in ihrer Bewegung beeinflusst, und dies resultiert in komplexen Mustern von Atomen im Grundzustand und angeregtem Zustand in großen atomaren Ensembles.

Das dreijährige Projekt RYSQ wurde eingerichtet, um die Vielseitigkeit von Rydberg-Atomen zu nutzen, damit eine Vielzahl von Quantensimulationen angegangen werden könnten. In einem Video werden die Merkmale des Spiels vorgestellt und Zuschauer dazu eingeladen, das Spiel zu ergründen und die Anregung von Atomen in Rydberg-Zuständen zu simulieren.

Weitere Informationen:
RYSQ-Projektwebsite


Datum der letzten Änderung: 2019-09-21 17:15:03
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