Zwei Physiker wollen mit Hilfe künstlicher Intelligenz ein zentrales Problem der Quantenphysik lösen. Bisher übersteigt es die Rechenpower von Computern, das Zusammenspiel größerer Quantenensembles zu simulieren, Physiker sprechen vom Viele-Körper-Problem der Quantenphysik. Mit Hilfe neuronaler Netze könnten Wissenschaftler auf diesem Gebiet Fortschritte machen, zeigen Giuseppe Carleo und Matthias Troyer von der ETH Zürich im Fachmagazin "Science".

Im Fokus der Computerexperten steht das berühmte Konzept der Wellenfunktion. Sie enthält alle Informationen, die für die Beschreibung einer bestimmten Situation im Mikrokosmos nötig sind. Allerdings wird die Funktion schnell sehr kompliziert, wenn Physiker damit den Zustand einer größeren Zahl interagierender Teilchen beschreiben oder Prognosen über deren Dynamik abgeben wollen.

Für bestimmte Quantenensembles ist es Physikern schon vor Jahren gelungen, eine kompaktere mathematische Darstellungsweise zu finden. Beispielsweise lassen sich Ketten von Atomen, die jeweils zwei Spinzustände einnehmen können, recht elegant mit Matrizen charakterisieren, was den Rechenaufwand verringert. Insbesondere bei höherdimensionalen Systemen versagen derartige Ansätze aber oft.

Erfolg versprechendes Konzept

In diesem Fall nimmt die Menge an Information, die zur vollständigen Beschreibung des Systems nötig ist, exponentiell mit der Zahl der Teilchen zu. Bereits bei einigen Dutzenden Partikeln wird der Speicheraufwand so enorm, dass ihn kein Computer mehr bewältigen kann.