Auf dem Weg zu besseren Autobatterien
Quanteneigenschaften bestimmen, wie Materialien sich verhalten. Nun simulieren Forscher die Vorgänge, um völlig neue Werkstoffe zu finden – auch für E-Autos.
- Joseph Scheppach
Vom Kleinen aufs ganz Große zu schließen, hat eine lange Tradition. So bauten etwa Flugzeugingenieure zu Zeiten, als es noch keine Computersimulation gab, Modelle, maßen mit ihnen in einem Windkanal die Luftströmungen und übertrugen die Ergebnisse dann auf das richtige Flugzeug. Damit sparten sie Zeit und Geld. Was damals galt, gilt in der Erfinderschmiede von Immanuel Bloch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik noch heute. Jedenfalls im Prinzip: Denn seine Modelle sind so klein, dass niemand sie mehr sehen kann. "Inzwischen können wir mit nur 500 bis 1000 Atomen bestimmte Materialeigenschaften von Festkörpern erklären. Das schafft noch nicht einmal ein Supercomputer", sagt der Physiker und Hochschullehrer. Sein Mittel der Wahl: Quantensimulation, der "Windkanal für Quantenprobleme", wie Bloch sie gern beschreibt.
Tatsächlich haben die Garchinger Forscher beim Modellieren der Eigenschaften von Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen weltweit die Nase vorn. Ihnen eröffnet sich damit eine große Zahl neuer Anwendungsfelder. Egal ob man wirksamere Medikamente, bessere Werkstoffe, schnellere Datenspeicher oder effizientere Stromkabel entwickeln möchte – die Basis dafür liefert heutzutage die Berechnung der Elektronen-Konfiguration der Festkörper.
An dieser Hürde aber scheiterten noch bis vor Kurzem viele Planungen: Denn Atome und Elektronen gehorchen der Quantenmechanik und damit auch der "Superposition" – der Überlagerung von Quantenzuständen. Selbst wenn man sich die einfachste aller möglichen Quantensysteme mit nur zwei Zuständen vorstellt, ergibt eine Superposition von zwei solchen Quantensystemen vier mögliche Zustände, bei drei sind es acht, bei vier sechzehn und so weiter. Die Möglichkeiten wachsen exponentiell. Quantencomputer würden im Gegensatz zu "herkömmlichen" Supercomputern mit solchen Aufgaben wohl fertig werden. Doch sie stecken noch mitten in der Entwicklung.
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