Quantenforscher erhält den Hamburger Preis für Theoretische Physik 2019

29. April 2019, von MIN-Dekanat

Foto: Joachim Herz Stiftung/Klingberg

Matthias Troyer

Der österreichische Physiker Matthias Troyer erhält in diesem Jahr den Hamburger Preis für Theoretische Physik und wird damit für seine Beiträge zur Entwicklung der sogenannten Quanten Monte Carlo-Algorithmen ausgezeichnet. Mit ihnen lässt sich auf Grundlage von Zufallszahlen vorhersagen, wie sich kleinste Teilchen in quantenmechanischen Vielteilchensystemen wie Atomen oder Molekülen gegenseitig beeinflussen. Troyer leistet damit wesentliche Beiträge in der Grundlagenforschung und zur Weiterentwicklung von Quantencomputern oder auch supraleitenden Materialien. Troyer ist Professor an der ETH Zürich und zugleich in der Quanten-Forschung des Softwareherstellers Microsoft tätig.

Die Joachim Herz Stiftung verleiht den Preis gemeinsam mit dem Wolfgang-Pauli-Centre (WPC) der Universität Hamburg und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY sowie dem Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ der Universität Hamburg. Der Hamburger Preis für Theoretische Physik ist mit insgesamt 137.036 Euro – eine Anspielung auf die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante – ausgestattet. Er ist damit einer der höchstdotierten deutschen Wissenschaftspreise für Physik. Troyer ist der zehnte Träger des Physikpreises, der anlässlich eines Symposiums am 13. November 2019 im Hamburger Planetarium verliehen werden wird.

Mit Computersimulationen kann das Verhalten verschiedenster Systeme untersucht werden: zum Beispiel wie sich physikalische Systeme verhalten, Krankheiten ausbreiten oder Verkehrsflüsse im öffentlichen Nahverkehr erfolgen. Von Monte Carlo-Simulationen spricht man, wenn eine solche Simulation auf Zufallszahlen beruht.

Computersimulationen werden auch verwendet, um Systeme zu erforschen, die von den Eigenschaften kleinster Teilchen, den Quantenteilchen abhängen. Um diese sogenannten Quanten-Vielteilchensysteme zu verstehen, muss das besondere Verhalten der einzelnen Quanten berücksichtigt werden. Denn Quanten haben besondere Eigenschaften: Sie können sich an verschiedenen Orten gleichzeitig befinden und hängen dabei vom Zustand aller anderen Quanten ab. Um den Zustand von Quanten-Vielteilchensysteme zu bestimmen, müssen Physiker auf äußerst leistungsfähige Computer zurückgreifen. Das erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Physik und Informatik.

Troyer arbeitet an dieser Schnittstelle zwischen Computerwissenschaften und Theoretischer Physik. Er entwickelte neue Computeralgorithmen, mit denen er das Verhalten vieler stark wechselwirkender Quantensysteme verstehen konnte. Er hat unter anderem an Quantenmagneten, superfluiden Kristallen, atomaren Gasen und exotischen Materialien wie Graphen geforscht. Die Untersuchung von Quanten-Vielteilchensystemen führte ihn zur Arbeit mit Quantencomputern, von denen sich die Forschung eine deutlich höhere Rechenleistung als bei herkömmlichen Computern verspricht.

Statt mit den bisher üblichen Bits arbeitet ein Quantencomputer mit Quantenbits, kurz Qubits, die zu Rechenkapazitäten führen, die im Ergebnis am ehesten mit denen massiv paralleler Computer verglichen werden können. Seit Jahren versuchen sowohl Unternehmen als auch Wissenschaftler immer bessere Quantencomputer zu bauen. Mit Quantencomputern sollen auf der einen Seite zum Beispiel Verkehrsaufkommen schneller berechnet und optimiert oder bildgebende Verfahren in der Medizin verbessert werden. Auf der anderen Seite sollen sie auch die Grundlagenforschung im Bereich der kleinsten Teilchen voranbringen.

Mit dem Preis ist nicht nur ein Preisgeld verbunden, sondern auch Forschungsaufenthalte in Hamburg, bei denen Troyer Vorträge halten und intensiv mit Doktoranden, Postdocs und Kollegen arbeiten wird - zum Beispiel am neuen Röntgenlaser XFEL auf dem Foschungscampus Hamburg-Bahrenfeld. Auch am Wolfgang-Pauli-Centre freut man sich auf den Austausch mit dem Preisträger. Das 2013 gegründete Institut bündelt die Forschungsaktivitäten in der theoretischen Physik, darunter auch die Arbeiten der beiden aktuellen Exzellenz-Cluster „Advanced Imaging of Matter“ und „Quantum Universe“, die Bestandteil der Hamburger Exzellenzinitiative sind. Damit fällt im Jahr des 100jährigen Jubiläums der Universität Hamburg und ihrer Bewerbung als Exzellenz-Universität ein besonderes Schlaglicht auf die Theoretische Physik in der Hansestadt.

Text: Joachim Herz Stiftung, Red.