orkanen, verkeersopstoppingen, demografische ontwikkeling - om het effect van dergelijke gebeurtenissen te voorspellen, computersimulaties zijn vereist. Veel processen in de natuur, echter, zijn zo ingewikkeld dat conventionele computers falen. Quantumsimulatoren kunnen dit probleem oplossen. Een van de fundamentele fenomenen in de natuur is de interactie tussen licht en materie bij fotosynthese. Natuurkundigen van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hebben nu een grote stap gezet in de richting van de kwantummechanica om het metabolisme van planten te begrijpen. Dit wordt gemeld in de Natuurcommunicatie logboek.

"Een kwantumsimulator is het voorstadium van een kwantumcomputer. In tegenstelling tot een kwantumcomputer, echter, hij kan geen berekeningen maken, maar is ontworpen voor de oplossing van een bepaald probleem, ", zegt Jochen Braumüller van KIT's Physikalisches Institut (Institute of Physics). Aangezien de hoge efficiëntie van fotosynthese niet volledig kan worden begrepen met klassieke fysische theorieën, onderzoekers zoals Braumüller gebruiken een kwantummodel. Samen met wetenschappers van het Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP, Instituut voor theoretische vastestoffysica), hij toonde voor het eerst in een experiment aan dat kwantumsimulaties van de interactie tussen licht en materie in principe werken.

De interactie tussen licht en materie bij fotosynthese kan worden beschreven als een interactie van fotonen van licht met de atomen van materie op microscopisch niveau. De hoge efficiëntie van dit mechanisme van bijna 100 procent suggereert dat het onderworpen is aan de regels van de kwantumfysica, wat moeilijk te simuleren is met klassieke computers en simpele bits. Bij standaard computergebruik, informatie wordt weergegeven door een schakelaar die informatie kan opslaan als nul of één. Kwantumbits, daarentegen, kunnen volgens de regels van de kwantumfysica tegelijkertijd de toestanden nul en één aannemen. Vandaar, kwantumcomputers of de eenvoudigere kwantumsimulators kunnen het probleem sneller en efficiënter oplossen.

Braumüller en zijn co-auteurs hebben nu een van de eerste functionerende componenten ontwikkeld voor een kwantumsimulator van licht-materie-interactie:supergeleidende circuits zoals kwantumbits de atomen vertegenwoordigen, terwijl elektromagnetische resonatoren de fotonen vertegenwoordigen. De natuurkundigen slaagden erin een effect te produceren waarbij de kwantumbit en de resonator tegelijkertijd twee tegengestelde toestanden aannamen. "Qubit en resonator zijn gekoppeld, ", zegt Michael Marthaler van KIT's TFP. "Dit is ook de reden voor de exponentieel verbeterde rekencapaciteit in vergelijking met klassieke computers." Het vervullen van dit fundamentele principe van de kwantummechanica heeft de haalbaarheid aangetoond van analoge kwantumsimulatie met supergeleidende circuits, zeggen de onderzoekers.

Als volgende stap, ze zijn van plan hun systeem uit te breiden via vele andere bouwstenen. "Klassieke simulatie van dit uitgebreide systeem zou langer duren dan de leeftijd van het universum, " zegt Martin Weides, die sinds 2015 een werkgroep leidt bij het Physikalisches Institut van het KIT. Als de geplande simulatie van de kwantummechanica slaagt, dit zal een "mijlpaal zijn op weg naar een universele kwantumcomputer."