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Paper von UR-Doktorand Clemens Seidl in renommierter Fachzeitschrift Physical Review Letters angenommen
Das wissenschaftliche Paper „Magic Barrier before Thermalization“ von Clemens Seidl, Doktorand am Lehrstuhl für Theoretische Physik der Universität Regensburg, wurde von der international renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters (PRL) zur Veröffentlichung angenommen. Seidl ist Hauptautor der Arbeit, die sich mit grundlegenden Fragestellungen der Thermalisierung in geschlossenen Quantensystemen beschäftigt.
Physical Review Letters zählt weltweit zu den bedeutendsten wissenschaftlichen Fachzeitschriften in der Physik. Hier werden besonders wichtige und innovative Forschungsergebnisse in kompakter und verständlicher Form für die internationale Fachwelt veröffentlicht. Eine Publikation in PRL gilt als besondere Auszeichnung und unterstreicht die wissenschaftliche Relevanz der Arbeit.
„Zukünftige Quantencomputer bieten die Möglichkeit, Vielteilchen-Quantensysteme auf effiziente Art zu simulieren und liefern dadurch einen vielversprechenden Weg, die Dynamik stark wechselwirkender physikalischer Systeme zu untersuchen“, fasst Seidl zusammen. „Unsere Arbeit liefert neue Einblicke darin, welche Prozesse besonders vom Quantencomputing profitieren können, und zeigt, dass insbesondere die Thermalisierung nichtabelscher Eichtheorien zu diesen vielversprechenden Anwendungsfeldern gehört.“
„Viele Wissenschaftler erwarten, dass Quantencomputer in wenigen Jahren die Leistungsfähigkeit von Computern exponentiell steigern werden. Das ist erstaunlich, da das Gottesmann-Knill-Theorem impliziert, dass für sehr viele Anwendungsfälle exponentiell höhere Effizienz als mit digitalem Computer, sogenanntes "quantum advantage" grundsätzlich unerreichbar ist“, erklärt Prof. Dr. Andreas Schäfer vom Institut für theoretische Hochenergiephysik der Universität Regensburg, wo Clemens Seidl aktuell promoviert. Daher bestehe ein großes Interesse eine Größe zu finden, die Fälle identifiziert, in denen quantum advantage tatsächlich möglich ist. „Diese magische Größe nennt man naheliegenderweise "magic". Durch die numerische Simulation eines (kleinen) Quantensystems auf einem klassischen Rechner des Nationalen-Hochleistungs-Rechenzentrums der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen (NHR@FAU) konnten Herr Seidl und Mitarbeiter sehr starke Indizien dafür liefern, dass, "Anti-flatness" tatsächlich die Anforderungen an "magic" erfüllt. Die behandelte physikalische Fragestellung betraf dabei die Dynamik der Thermalisierung nicht-abelscher Eichtheorien, also z.B. Vorgänge im sehr frühen Kosmos“, so Prof. Schäfer.
Neue Erkenntnisse zur Thermalisierung in Quantensystemen liefern wichtige Impulse für die zukünftige Nutzung von Quantencomputern
Clemens Seidl promoviert mit einem Stipendium der Studienstiftung des deutschen Volkes bei Prof. Dr. Andreas Schäfer am Institut für theoretische Hochenergiephysik der UR und mit dem Marianne-Plehn-Programm des Elitenetzwerks Bayern bei Prof. Dr. Jad Halimeh an der LMU München. Seine Arbeiten sind eingebunden in eine umfangreiche internationale Kollaboration.
In seinem Beitrag untersucht Clemens Seidl gemeinsam mit seinen Koautorinnen und Koautoren die zeitliche Entwicklung von Quanteneigenschaften während der Thermalisierung in nichtabelschen Eichfeldtheorien. Im Mittelpunkt steht die sogenannte „Anti-Flatness“ im Verschränkungsspektrum, ein Maß für die Nicht-Stabilisatorstruktur („quantum magic“) und damit Zeuge für sogenannten Quantum Advantage. Anhand umfangreicher dynamischer Simulationen nichtabelscher SU(2) Gittereichtheorie auf dem „Fritz“ Supercomputer des Nationalen-Hochleistungs-Rechenzentrums der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen konnten die Forschenden zeigen, dass während der Thermalisierung eine charakteristische Barriere der Anti-Flatness auftritt. Diese Barriere steht in engem Zusammenhang mit der Phase, in der die Verschränkungsentropie besonders stark anwächst und sich lokal dem thermischen Gleichgewicht annähert.
Die Ergebnisse zeigen eine universelle Struktur im Verschränkungsspektrum während der Thermalisierung und deuten darauf hin, dass quantitative Simulationen nichtabelscher Eichfeldtheorien fern vom thermischen Gleichgewicht vom Einsatz von Quantencomputern profitieren können. Darüber hinaus legen die Befunde nahe, dass sich dieses Verhalten auch auf andere quantenchaotische Systeme übertragen lässt und damit gleichermaßen für die Hochenergiephysik wie für andere Teilgebiete von Bedeutung ist.
Die Arbeit leistet damit einen wichtigen Beitrag zum grundlegenden Verständnis komplexer Quantensysteme und zur Entwicklung zukünftiger quantenphysikalischer Simulationsmethoden.
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Universität Regensburg
Tel.: +49 (0)941 943 5566
E-Mail: presse@ur.de
https://doi.org/10.48550/arXiv.2510.11681
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