Wissenschaftler der Uni Siegen lösen quantenphysikalische Frage

Ein ganz und gar nicht marginales Problem

Ein Körper, aber drei verschiedene Schatten. Die Frage ist, wie viele Schattenrisse man braucht, um herauszufinden, wie der blaue Körper aussieht.

Ein Körper, aber drei verschiedene Schatten. Die Frage ist, wie viele Schattenrisse man braucht, um herauszufinden, wie der blaue Körper aussieht.

sz Siegen. Einen Durchbruch bei der Lösung des „Marginalproblems“ haben Physiker der Uni Siegen zusammen mit Düsseldorfer Kollegen erreicht. Die Veröffentlichung der Forschungsergebnisse im Fachmagazin „Nature Communications“ ist der wissenschaftliche Lohn. Der Gutachter schrieb, er sei sicher, dass die vorgestellte Lösung des Marginalproblems in wenigen Jahren zum Standardlehrstoff in der Quantenphysik gehören werde. Nun gehört die Quantenphysik nicht zu den einfachen naturwissenschaftlichen Themen. In diesem Fachgebiet der Physik werden Systeme von Elementarteilchen durch Wellenfunktionen beschrieben. Diese Wellenfunktion enthält alles, was man über das System wissen kann. Sie beschreibt den Zustand von Elektronen. Die Frage ist nun: Kann man aber aus Wellenfunktionen einzelner Atome auch Rückschlüsse auf die Wellenfunktion eines großen Moleküls ziehen? Dies ist das sogenannte Marginalproblem, das von großer Bedeutung für verschiedene Anwendungen ist, von der Chemie bis zur Konstruktion von Quantencomputern.

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Der Gegenstand und sein Schatten

Das Marginalproblem lässt sich vereinfacht mit der Frage veranschaulichen, ob der Schatten auf die tatsächliche Beschaffenheit eines Gegenstandes schließen lässt. Wenn man einen Gegenstand, z. B. eine Skulptur, in einem Raum betrachtet, ist es sehr leicht, festzustellen, welche Schatten er wirft. Die umgekehrte Frage, wie man aus gegebenen Schattenbildern auf den Gegenstand schließt, ist jedoch nicht so einfach.

Beziehung zwischen den Teilen und dem Ganzen

Dieses Beispiel verdeutlicht ein häufig auftretendes Problem in verschiedenen Wissenschaften, nämlich die Beziehung zwischen den Teilen und dem Ganzen: Inwiefern kann aus der Beschreibung von Teilsystemen auf das Gesamtsystem geschlossen werden? Die entscheidende Idee bei der nun entwickelten Lösungsmethode ist, mehrere Kopien der Situation zu betrachten: Wenn das Problem für vier Teilchen gestellt ist, betrachtet man zuerst ein ähnliches, aber strukturell einfacheres Problem für acht Teilchen. Führt dies noch zu keiner Lösung, kann man noch weitergehen und zwölf, 16 oder mehr Teilchen betrachten.

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„Das ist klassische Grundlagenforschung“

„Das ist wie beim Vergleich von mehreren Bildern auf verschiedenen Seiten in einem Buch. Wenn man zwei oder mehr Exemplare des Buches hat und nebeneinander legt, ist es einfacher”, sagt Dr. Xiao-Dong Yu, der als Hauptautor die neue Methode entwickelt hat. Er ist seit 2017 als Postdoktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Otfried Gühne an der Universität Siegen tätig. Ein weiterer Vorteil des neuartigen Zugangs besteht darin, dass er einen fundamentalen Zusammenhang zwischen dem Marginalproblem und der Verschränkung von Teilchen offenbart. Diese Verbindung ermöglicht tiefe Einsichten in verschiedene Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung. „Das ist klassische Grundlagenforschung“, sagt Otfried Gühne. Aber die Anwendungsmöglichkeiten zeichnen sich schon ab. Ein Beispiel ist die Konstruktion von Quantencodes, die eine Fehlerkorrektur in zukünftigen Quantencomputern ermöglichen. Quantencomputer werden vermutlich eines Tages die herkömmlichen, auf Binärcodes basierenden Rechner überflügeln. Leistungsfähiger und vor allem schneller werden sie sein, sodass in Wissenschaft und Industrie Quantencomputer ein breites Arbeitsfeld finden. Als nächstes möchten die Forscher ihr Verfahren auf weitere ungelöste Probleme ausdehnen. Beispiele für weitere Anwendungen sind die mathematische Theorie der Graphen und die Frage, inwiefern die Quantenmechanik über die klassische Physik hinausgeht.

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