Im Rahmen des Internationalen Comic-Salons in Erlangen laden Kunstschaffende zu neuen künstlerisch-wissenschaftlichen Perspektiven auf die seltsame Welt der Quanten ein. In der Installation des Lehrstuhls für Theoretische Physik wird am Beispiel der „Loop Soup“ ein hochverschränktes Quantensystem vorgestellt.
Überlagerung von zwei Zuständen
Quantensysteme können Überlagerungen von Zuständen realisieren. Im Beispiel einer Glühbirne kann sich das System gleichzeitig in den beiden Zuständen „Glühbirne aus“ und „Glühbirne an“ befinden. Die Überlagerung beschreiben wir, indem wir die beiden Zustände miteinander addieren.
Verschränkung von zwei Objekten
Die Eigenschaft der Überlagerung kann verwendet werden, um Objekte miteinander zu verschränken. Im Beispiel betrachten wir zwei Glühbirnen, die in einer Überlagerung von zwei Zuständen existieren: Je eine der Glühbirnen ist an und die andere aus. Die beiden Glühbirnen sind in diesem Fall verschränkt, da der Zustand der einen Glühbirne vom Zustand der anderen Glühbirne abhängt.
Verschränkung in der Loop Soup
Die Loop Soup („Schleifensuppe“) ist ein Beispiel für ein hochverschränktes Quantensystem aus vielen Zuständen. Auf einem Schachbrett werden Zustände überlagert, die geschlossene Loops („Schleifen“) in unterschiedlicher Form und Größe beinhalten. Die Anzahl dieser möglichen Zustände steigt stark an, wenn das Schachbrett größer wird. Die einzelnen Kanten sind durch diese Überlagerung stark mit allen anderen Kanten verschränkt. In der Installation werden in zeitlicher Abfolge einzelne Zustände der großen Überlagerung angezeigt.
Relevanz in der Forschung
Die Loop Soup ist von großer Bedeutung in der heutigen Quantenforschung. Durch die starke Verschränkung ist das Quantensystem robust gegen Störungen aus der Außenwelt. Das ermöglicht die Anwendung als robuster Quantenspeicher oder als fehlertoleranter Quantencomputer. Des Weiteren können solche Zustände für emergente Phänomene in Quantenmaterialien relevant werden.
Der Surface Code
Der Surface Code ist ein theoretisches Modell, dass die Loop Soup realisiert und somit als Quantenspeicher und Quantencomputer denkbar ist. Es existieren viele verschiedene Varianten des Surface Codes, die unterschiedlich schwer experimentell zu realisieren sind. Im Bild ist der von Alexei Kitaev im Jahr 1997 eingeführte Toric Code abgebildet. Hierzu verkleben wir die linke und rechte Kante sowie die obere und untere Kante des Schachbretts miteinander, wodurch die Form eines Donuts (bzw. Torus) entsteht. Alternativ können wir uns vorstellen, dass eine Loop, die zum Beispiel auf der linken Seite verschwindet wieder auf der rechten Seite auftaucht.
Hiermit wird eine neue Art von Loop möglich: Wir können die Schleife einmal komplett um den Torus legen. Wenn wir uns die Loops als „Gummibänder“ auf dem Torus vorstellen, finden wir einen entscheidenden Unterschied: Alle bisherigen Schleifen lassen sich einfach vom Torus abnehmen; die neue Art von Schleife ist aber fest mit dem Torus verbunden, wir müssten den Gummi zerschneiden, um ihn vom Torus zu entfernen. Deshalb nennt man diese Art von Loop auch topologisch nichttrivial.
Die neue Art von Loops wird für das Speichern eines Qubits, der kleinsten Speichereinheit eines Quantenspeichers, verwendet. Im Gegensatz zu anderen Arten von Quantenspeichern, sind diese Qubits durch die beschriebene Struktur robuster gegen Fehler durch kleine Ungenauigkeiten im Experiment. Diese Fehler stellen zurzeit die größte Herausforderung beim Bau von größeren Quantencomputern und Quantenspeichern dar. Die topologischen Qubits der Loop Soup bieten eine mögliche Lösung dieses Problems. Experimentell wurde ein Surface Code im Jahr 2024 von der Forschungsabteilung „Google Quantum AI“ mit einem 7×7 Schachbrett realisiert. Weitere Details zum Experiment beschreibt Google Research auf ihrer Webseite.
Weihnachtsvorlesung der Physik 2025
Die Installation der Loop Soup war Teil der Weihnachtsvorlesung der Physik 2025, die im Rahmen des internationalen Quantenjahres stattfand. Auf der quantastischen Weihnachtsreise begegnete man zusammen mit der Physikerin Lucy Mensing den vielfältigen aktuellen Forschungsfeldern der Quantenphysik an der FAU. Der Lehrstuhl der theoretischen Physik V stellte dort den „Surface Code“ als ein theoretisches Modell vor, dass die Loop Soup realisiert. Jonas Leibig trug dazu folgendes Gedicht zum Surface Code vor:
Loop Soup à la Z₂
Erst Charges in den blubbernden Topf,
dann Fluxes dazu, verdreht wie ein Zopf.
Dann öffnet sich ein Spalt aus Licht:
„Toricus Codus, hex hex!“
Und Loops verweben Raum und Sicht.
Ein stiller Schwung vollendet’s sacht,
und die Loop Soup wird ganz zur Pracht.
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5/5Eine Installation des Lehrstuhls für Theoretische Physik V
Calvin Krämer, Anja Langheld, Andreas Schellenberger, Kai Phillip Schmidt
Unterstützung: Jan Koziol, Harald Leiser, Jonas Leibig
Elektronischer Support: Michael Krieger, Johannes Montag, Willi Rösch, Arthur Sonnleitner, Mechanische Werkstatt Physik