Quantenphysik: Der Brückenbauer

An der Wand des Büros stehen auf dem Whiteboard allerlei Gleichungen: lange Formeln mit Operatoren, die komplexe Quantensysteme beschreiben. Dazwischen Kurven in Koordinatensystemen, die Messungen mit Simulationen vergleichen. Fragt man Jad Halimeh, was diese Gebilde bedeuten, beginnt er zu erklären, zeichnet weitere Kurven und spricht über Phasengleichgewichte oder Hadronisierung – stets so, dass er seinen Besucher in die Tiefen der quantenmechanischen Welt mitnimmt.

Er blickt zwischendurch kurz auf und erklärt weiter. „Wir versuchen, exotische quantenmechanische Vielteilchensysteme zu verstehen“, sagt Halimeh, seit Kurzem Quantenphysik-Professor an der LMU und Mitglied im Münchner Exzellenzcluster MCQST. Gemeint sind kontrolliert aufgebaute Systeme, die komplexe Vielteilchenphysik experimentell nachbilden: Synthetische Quantensysteme nennt er das.

Dynamisches Forschungsgebiet

Es ist ein rasch sich entwickelndes Forschungsfeld, in dem Theorie und Experiment zunehmend Hand in Hand gehen und in dem Physiker eine Welt erforschen, die für schwer fassbare Phänomene wie die Quantenverschränkung bekannt ist – eine Eigenschaft, durch die Teilchen über riesige Entfernungen hinweg miteinander verbunden bleiben. Kein Teil eines solchen Systems lässt sich beschreiben, ohne den Rest einzubeziehen. Klassische Computer stoßen dabei schnell an ihre Grenzen.

Halimeh geht neue Wege und versucht, diese Phänomene mithilfe sogenannter Quantensimulatoren zu beschreiben. Dabei unterscheidet er zwei Grundformen: analoge und digitale. Analoge Systeme bilden die jeweilige Physik direkt im Labor nach, etwa durch gezielt eingestellte Wechselwirkungen ultrakalter Atome in optischen Gitterkäfigen aus Laserlicht. Digitale Quantensimulatoren hingegen arbeiten mit quantenlogischen Operationen, die sich flexibel zu Algorithmen kombinieren lassen.

In diesem Kosmos lässt sich Halimeh als eine Art Brückenbauer verstehen, der die Formelwelt der Theorie mit technologischen Entwicklungen im Quantencomputing und der Quantensimulation verbindet. „Im Grunde nutzen wir die Quantenmechanik, um Quantensimulatoren zu bauen; diese weisen exotische Phänomene nach, die sich auf klassischen Computern nur schwer nachweisen lassen.“

Ein wechselseitiges Spiel von Theorie und Praxis

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Als theoretischer Physiker notiert Halimeh zunächst die zentralen Gleichungen auf seinem iPad. Erscheint eine Idee tragfähig, steigt er mit seinen Doktorandinnen und Doktoranden tiefer ein. Die entstehenden numerischen Modelle lassen sich im Experiment prüfen – eine Möglichkeit, die der MCQST zunehmend bietet. Es ist ein weltweit einzigartiges Zusammenspiel von Theorie und Experiment. „Es ist ein wechselseitiges Spiel: Wir entwickeln theoretische Modelle, die unsere experimentellen Kolleginnen und Kollegen am MCQST herausfordern“, sagt Halimeh. „Umgekehrt kommen sie mit neuen, eleganten Methoden auf uns zu und fragen: Was lässt sich damit physikalisch untersuchen? Welche Phänomene könnten wir sichtbar machen? Ohne die Experimentalphysik würden wir deutlich langsamer vorankommen. Wir lernen viel voneinander.“

Das hochdynamische Feld der synthetischen Quantensysteme lebt von der Verknüpfung verschiedener Disziplinen. Halimehs Gruppe hat sich auf die Quantensimulation sogenannter Gittereichtheorien spezialisiert. Vereinfacht gesagt werden Raum und Zeit dabei nicht mehr als kontinuierlich betrachtet, sondern das Verhalten von Teilchen wie Quarks oder Gluonen wird auf Punkten und Linien eines feinen Gitters beschrieben. Die zugrunde liegenden Eichtheorien sind mathematisch so anspruchsvoll, dass sie meist nicht direkt lösbar sind. Mithilfe von Gittern werden sie beherrschbarer.

Hier setzt Halimeh an: Sein Team hat im Bereich der Quantensimulation von Gittereichtheorien bereits wichtige Beiträge geleistet und zählt zu den weltweit führenden Gruppen für Systeme in einer und zwei Raumdimensionen. Tatsächlich stellen zwei kürzlich von Halimehs Gruppe zusammen mit Quantinuum durchgeführte Quantensimulationsexperimente die bislang größte Realisierung von Gittereichtheorien in zwei räumlichen Dimensionen dar.

Zeitliche Schnappschüsse des frühen Universums

Eine konkrete physikalische Frage betrifft die sogenannte Hadronisierung – ein zentrales Thema des Standardmodells der Teilchenphysik, durch das Quarks und Gluonen gebundene Teilchen wie Protonen und Neutronen bilden. Die Hadronisierung spielte eine zentrale Rolle, als das frühe Universum abkühlte, und lässt sich heute experimentell durch hochenergetische Kollisionen schwerer Ionen untersuchen, bei denen kurzzeitig ein Quark-Gluon-Plasma entsteht. Dabei binden sich die beteiligten Quarks und Gluonen und thermalisieren schließlich, wodurch letztlich die Materie entsteht, die wir heute kennen. Offen ist, warum diese Prozesse auf Zeitskalen ablaufen, die deutlich kürzer sind als theoretisch vorhergesagt.

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An Teilchenbeschleunigern wie dem LHC am CERN ist diese Frage schwer zu beantworten, da sie vor allem den Endzustand zugänglich machen. Der Anfangszustand ist ebenfalls bekannt, doch „wie diese Quarks letztlich wieder zusammenkommen und sich binden, wissen wir nicht, wir kennen nicht das gesamte Bild“, sagt Halimeh. „Um das herauszufinden, bräuchten wir gewissermaßen zeitliche Schnappschüsse – wie Einzelbilder eines Films. Der vielversprechendste Weg dorthin führt über einen Quantensimulator.“

Was die hier relevante Echtzeit-Quantendynamik angeht, sind klassische Computer oft auf vergleichsweise kleine Systemgrößen und kurze Entwicklungszeiten beschränkt. Auf einem Quantencomputer hingegen könnte Halimehs Team viele größere Systeme einbeziehen und eine Brücke zu Beobachtungen an Teilchenbeschleunigern schlagen. Dafür müsste ein sogenannter Hamiltonoperator in drei Raumdimensionen implementiert werden – eine Rechenvorschrift, die alle Wechselwirkungen und energetischen Prozesse beschreibt. Er enthält Parameter, die etwa festlegen, wie schnell Teilchen zwischen Gitterplätzen „hüpfen“, wie stark sie lokal wechselwirken oder mit Nachbarn interagieren. Auch Eigenschaften wie der Spin werden so erfasst. Diese Größen lassen sich variieren. „Im Idealfall soll der Quantencomputer genau die Physik reproduzieren, die in diesem Modell steckt“, sagt Halimeh – und zwar zu verschiedenen Zeiten.

Die Frage nach der Quantenüberlegenheit

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Es sind aufwendige, langwierige Arbeiten. Halimeh behält dabei stets die größeren Zusammenhänge im Blick, schaut, wo sich die Brücken hin zu anderen, derzeit wichtigen Fragestellungen ergeben. „Mein zweites Standbein ist die sogenannte Quantenüberlegenheit“, sagt er. Dabei definieren Forschende Bereiche, in denen Quantensimulatoren klassische Rechner übertreffen. Eine Frage wie die Hadronisierung kann Ansatzpunkte liefern, gezielt nach Modellrechnungen zu suchen, in denen ein solcher Vorteil realisiert wird. „Wir befinden uns an einer produktiven Schnittstelle zwischen Vielteilchen-Quantenphysik, Quantensimulation und numerischen Simulationen auf klassischen Computern“, sagt Halimeh. „Das ist auch der Grund, warum sich große Tech-Firmen für unsere Forschung interessieren: Wir liefern Testfälle und Anwendungen für ihre modernsten digitalen Prozessoren mit jeweils mehr als 100 Qubits.“

Aktuell vergleicht Halimehs Team sehr präzise numerische Simulationen mit den Ergebnissen von Quantensimulationen, die er gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen etwa von Google Quantum AI, IBM Quantum oder Quantinuum durchführe, so Halimeh. Stimmen Modell und Berechnung gut überein, werden die Modelle komplexer. „Wir suchen gezielt nach Parameterbereichen, in denen selbst unsere besten klassischen Methoden an ihre Grenzen stoßen“, sagt Halimeh. „Und dann fragen wir: Wenn der klassische Computer hier scheitert – was kann der Quantencomputer leisten?“

Über solche Themen spricht Halimeh im Schnelldurchlauf. Das spiegelt auch, wie rasant sich das Feld entwickelt hat. Auch Halimehs eigene Situation fühlt sich hochdynamisch an, seit er sich mit 13 Jahren, damals noch in seiner Geburtsstadt Beirut im Libanon, mit Physik beschäftigte. Seine Eltern schenkten ihm Bücher und CDs über Relativitätstheorie und Astronomie. Später studierte er Elektrotechnik und Mathematik in den USA, machte seinen Master am KIT und kam für seine Promotion in Physik an die LMU.

Nach Stationen in Südafrika, Dresden, Heidelberg und Trient kehrte er zunächst als Postdoc beim Physiker Fabian Grusdt an die LMU zurück und baute anschließend seine eigene Forschungsgruppe auf – gefördert unter anderem zunächst durch ein Emmy-Noether-Forschungsgruppen-Stipendium, dann 2023 durch einen frei ausgeschriebenen Max-Planck-Forschungsgruppenpreis (Halimeh war einer von vier Preisträgern unter mehr als 400 Bewerbern) sowie 2024 durch einen ERC Starting Grant. Seit letztem Jahr ist er Professor an der LMU.

„Intuition ist das entscheidende Werkzeug“

Seine Gruppe ist rasch gewachsen: Derzeit betreut er vier Postdocs, sieben Doktoranden und acht Masterstudierende. Bis Ende des Jahres werden vier weitere Doktoranden hinzukommen. Die größere Gruppe ermöglicht es ihm, immer mehr Themen parallel anzugehen. Die Formeln an der Wand spiegeln diese Vielfalt. Auf die Frage, wie er zu seinen Ideen kommt, sagt er nach kurzem Überlegen: „Ich würde mich als jemanden beschreiben, der phänomenologisch denkt. Für mich ist Intuition das Wichtigste. Ich sammle Hinweise, entwickle daraus ein Gesamtbild und versuche zu verstehen, was wirklich passiert. Erst dann suche ich nach einer möglichst einfachen mathematischen Beschreibung. Manche lassen sich stärker von Gleichungen leiten – für mich ist Intuition das entscheidende Werkzeug.“

Beim Stichwort Intuition fällt der Blick auf ein Schwarz-Weiß-Bild von Einstein, das oben am Whiteboard hängt. „Albert Einstein ist für mich eine große Inspiration“, sagt Halimeh. „Nicht nur wegen seiner wissenschaftlichen Leistungen und Kreativität, sondern auch wegen seines Lebenswegs – der Schwierigkeiten, die er überwinden musste, der Verfolgung während der NS-Zeit, seines unabhängigen Denkens. Er ist für mich ein großes Vorbild.“ Nicht das schlechteste Vorbild in heutiger Zeit, denn auch Einstein war auf seine Weise ein Brückenbauer.