Quantensimulator ahmt Photosynthese nach

Noch stecken Quantensimulatoren in den Kinderschuhen, in Zukunft aber sollen sie Probleme lösen, die zu schwierig sind für heutige Rechner. Forschern gelang es nun damit die Übertragung von Energie in Biomolekülen zu simulieren – ähnlich wie bei der Photosynthese.

Quantensimulatoren beruhen nicht auf herkömmlichen Methoden zur Datenverarbeitung, sondern funktionieren nach den Gesetzen der Quantenmechanik. Ähnlich wie Quantencomputern prophezeien ihnen Theoretiker großes Potenzial bei der Lösung spezieller Probleme. Noch ist ihre technologische Entwicklung aber nicht weit genug fortgeschritten, um konventionellen Systemen tatsächlich Konkurrenz zu machen.

Mit ihrer aktuellen Studie ist es US-Forschern mit Beteiligung eines Innsbrucker Physikers nun jedoch ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen. Mit dem Prototyp eines Quantensimulators konnten sie Prozesse, wie sie innerhalb eines Moleküls vorkommen, simulieren.

Machbarkeitsstudie mit Potenzial

„Wir haben uns dabei an einem Vorgang orientiert, der auch in der Photosynthese eine große Rolle spielt“, sagte Philipp Schindler vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Der Physiker war im Rahmen eines Erwin Schrödinger Stipendiums des Wissenschaftsfonds FWF an der Universität Berkeley in Kalifornien (USA) an dem Projekt beteiligt.

Bei der Photosynthese wird die Energie des Lichtes an einer Position eines langkettigen Moleküls eingefangen und dann über Vibrationen an das andere Ende des Moleküls übertragen. „Das ist ein Vorgang, der nicht klassisch beschrieben werden kann“, erläuterte Schindler. „Solche Prozesse können nur für sehr einfache Systeme auf herkömmlichen Computern analysiert werden, da sie ein erhebliches Maß an Quantenkorrelationen enthalten.“

Realisiert wurde der Simulator in Form zweier Kalzium-Ionen, die mittels elektrischer Felder in Schwebe gehalten werden und die über ihre Vibrationen Energie austauschen können. Wird nun eines der Ionen mittels eines Lasers angeregt, kann es die aufgenommene Energie unter bestimmten Umständen auf das andere Ion übertragen - ein Vorgang, der analog zum Energieübertrag bei der Photosynthese abläuft.

Wie die Forscher betonen, handelt es sich dabei allerdings noch um eine reine Machbarkeitsstudie, die keine neuen physikalischen beziehungsweise biologischen Erkenntnisse über das simulierte System geliefert hat. In Zukunft hoffen sie jedoch mit einem komplexeren Aufbau mit zehn Ionen Prozesse simulieren zu können, die sich mit herkömmlichen Rechnern nicht analysieren lassen.

science.ORF.at/APA

Mehr zu dem Thema:

• Innsbrucker Physiker baut Quantensimulator
• Wie Quanten die Technik revolutionieren