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Simulationen für die IT und die Hirnforschung

Simulationen auf Supercomputern der höchsten Leistungsklasse sind ein unverzichtbares Werkzeug für die Wissenschaft. Forscher nutzen sie als Brücke zwischen Theorie und Experiment und gewinnen auf diese Weise Einblicke und Erkenntnisse, die aus physikalisch-technischen, finanziellen oder ethischen Gründen sonst nicht möglich wären.

Wissenschaftler erschaffen im Rechner virtuelle Universen und erforschen damit die Grundbedingungen der Entstehung von Leben auf der Erde. Mit Superrechnern lassen sich Prototyp-Zyklen im Maschinen- und Flugzeugbau oder in der Pharmaindustrie stark verkürzen. Eine besondere Herausforderung ist die Simulation des menschlichen Gehirns: Dies ist nicht nur für Diagnostik und Therapie von Hirnkrankheiten relevant, sondern könnte auch neue Impulse für die elektronische Datenverarbeitung liefern – denn das menschliche Gehirn ist auf seine Art ein leistungsfähiger und energiesparender "Supercomputer", von dem die Informationstechnologie viel lernen kann. Das Supercomputing ist somit selbst ein eigener Wissenschaftszweig und die Simulationswissenschaft eine Schlüsseltechnologie für andere Disziplinen.

Komplexe physikalische Effekte simulieren

Simulationen sind unerlässlich, wenn es darum geht, komplexe physikalische und mechanische Effekte im Nano- oder im Quantenbereich zu erforschen, die für neuartige Technologien der Datenverarbeitung und –speicherung von Nutzen sein könnten. Denn herkömmliche Technologien stoßen bald an ihre Grenzen: Immer schneller sollen Rechner sein, mehr Daten speichern können – aber weniger Energie benötigen.

Daher arbeiten Wissenschaftler an Konzepten, die zur Datenverarbeitung nicht mehr die Ladung von Elektronen nutzen, sondern anstelle dessen ihr magnetisches Moment – den sogenannten Spin. Elektronen müssen dann nicht mehr fließen, sondern müssen lediglich die Spininformation weitergeben.

Ein internationales Physiker-Team hat hierzu 2013 durch Simulationen an Supercomputern einen vielversprechenden neuen physikalischen Effekt entdeckt, den "Spin-Tscherenkov-Effekt". Dieser ist eine magnetische Version des bereits bekannten Tscherenkov-Effekts, der auftritt, wenn geladene Teilchen schneller durch Wasser gleiten als das Licht. Mit Hilfe des simulierten Effekts könnten sich Spinwellen in magnetischen Materialien mit definierten Frequenzen einfacher als bisher gedacht erzeugen lassen. Ließe sich dieser Effekt zunutze machen, könnten entsprechend gebaute Rechner schneller und gleichzeitig energiesparender arbeiten.

Auf dem Weg zum Quantencomputer

Die Forschung hofft, mit Quantencomputern einmal zahlreiche Probleme zu lösen, die bisher als unlösbar gelten. Während klassische Computer Informationen in Form von Bits abspeichern, arbeiten Quantenrechner mit sogenannten Quantenbits. Diese Qubits beruhen auf den quantenmechanischen Eigenschaften des Elektrons, das unter anderem nicht als Teilchen, sondern als Welle erfasst wird. Auf diese Weise lassen sich verschiedene quantenmechanische Zustände überlagern, was wiederum zu einem enormen Geschwindigkeitsvorteil führen kann. In einem derartigen System können theoretisch viele Algorithmen parallel laufen. Und es ermöglicht eine Logik, die nicht nur die Werte Null und Eins, sondern auch Zwischenzustände kennt. Physiker am Jülicher Peter Grünberg Institut suchen nach Wegen zur Realisierung der Quanteninformationsverarbeitung. Von der praktischen Umsetzung ist eine solche Maschine zurzeit noch weit entfernt. Aber die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Jülich Supercomputing Centre können mit Simulationen bereits im Detail ermitteln, wie sich gängige Anwendungen – etwa der Shor-Algorithmus zur Faktorzerlegung großer Zahlen – auf Quantencomputersystemen umsetzen lassen.

Bereits 2010 simulierte der Jülicher Supercomputer JUGENE das damals weltweit größte Quantencomputersystem mit 42 Bits.


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