Joachim Herz Stiftung Hamburger Preis für Theoretische Physik geht an Quantenforscher

Der Hamburger Preis für Theoretische Physik geht an Matthias Troyer, Professor an der ETH Zürich und zugleich in der Quanten-Forschung bei Microsoft tätig.
Der Hamburger Preis für Theoretische Physik geht an Matthias Troyer, Professor an der ETH Zürich und zugleich in der Quanten-Forschung bei Microsoft tätig.

Der Hamburger Preis für Theoretische Physik geht in diesem Jahr an den Österreicher Matthias Troyer. Er ist Professor an der ETH Zürich und zugleich in der Quanten-Forschung bei Microsoft tätig. Den Preis erhält er für seine Beiträge zur Entwicklung der sogenannten Quanten Monte Carlo-Algorithmen.

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. Er ist einer der wenigen international führenden Spitzenforscher auf diesem Gebiet.

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 Professor Troyer zeichnen wir einen Wissenschaftler aus, dessen Arbeit verschiedene Gebiete der Physik und Computerwissenschaft verbindet. Durch seine aktuelle Forschung im Bereich der Quantencomputer ist er mit Universitäten und Unternehmen in den USA und weltweit vernetzt. Und er hat eine Open Source Plattform gegründet, um sein Wissen zu teilen. Auch diesen Beitrag zu gemeinsamer Forschungsarbeit wollen wir mit der Preisvergabe an Professor Troyer würdigen“, sagte Dr. Nina Lemmens, Mitglied des Vorstands der Joachim Herz Stiftung.

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.

Troyer hat Physik an der Universität Linz und der ETH Zürich studiert und wurde dort 1994 promoviert. Als Post-Doktorand war er als Fellow der Japan Society for the Promotion of Science an der Universität Tokio und ab 1998 Dozent an der ETH Zürich. Seit 2005 ist er ordentlicher Professor für Computational Physics am Institut für Theoretische Physik der ETH Zürich. Zudem ist er seit 2017 Principal Researcher bei Microsoft Quantum Research in den USA. Troyer ist seit 2010 Fellow der American Physical Society und seit 2014 Trustee des Aspen Center for Physics. 2016 wurde er mit dem Aneesur-Rahman-Preis ausgezeichnet.

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 untersuchen, 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.