Das Open Quantum Dynamics Lab

Quantenmechanik und statistische Physik spielen eine grundlegende Rolle im Bereich der Biophysik und der Licht-Materie Wechselwirkung: in der Photosynthese werden elektronische Zustände durch Lichteinfang angeregt, die dann einen Teil der Anregungsenergie an molekulare Schwingungen abgeben. Dadurch wird die anfängliche Kohärenz zerstört und ein Ladungstransport und eine Ladungstrennung erreicht. Ähnliche Prozesse finden auch in der Quanteninformations-Verarbeitung statt. An die Stelle der Moleküle treten supraleitende Schaltkreise, die als Qubits verschränkt sind, bis durch Umgebungseinflüsse dieser Zustand aufgehoben wird. Die Berechnung der genauen Dynamik in solchen offenen Quantensystemen auf klassischen Computern ist aufwendig und nur in wenigen Software Paketen voll implementiert. Die üblichen Nährungsmethoden (Vernachlässigung der Verschränkung von System und Umgebung, keine zeitliche Korrelationen, etc) können die Details der Dynamik oft nur unzureichend erfassen und liefern damit keine zuverlässigen Erklärungen und Vorhersagen. Im Rahmen des open quantum dynamics lab stellen wir die in unseren vorherigen Projekten konzipierte, skalierbare und performante Software auf http://openquantumlab.de zur freien Verfügung. Das Programmpaket ermöglicht die Simulation sowohl der kohärenten Dynamik, als auch die Berechnung von Zeit und Frequenz aufgelösten Spektren. Das aktuelle Vorhaben vereinfacht die Anwendung der Programme und befördert damit die nachhaltige Entwicklung und Erweiterung. Zukünftige Nutzerinnen und Nutzer aus verschiedenen Fachgebieten werden sowohl in die physikalische Methodik wie auch in die Code Entwicklung eingeführt. Dies geschieht durch eine ausführlichen Dokumentation, mittels Tutorien und Blog-Einträgen. Python basierte Schnittstellen erlauben eine einfache Handhabung der Eingaben und eine interaktive Visualisierung der Berechnungen. Die Projektergebnisse dienen als Referenz für reproduzierbare und verifizierbare Ergebnisse der Quantenphysik offener Systeme.

Das Open Quantum Dynamics Lab hat die Entwicklung und Anwendung einer leistungsfähigen Simulationssoftware für Quantensysteme in ihrer natürlichen Umgebung vorangebracht. Im Mittelpunkt stehen molekulare Systeme und Quantenbauelemente, deren Verhalten nicht isoliert betrachtet werden kann: Sie stehen ständig in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Diese Wechselwirkungen beeinflussen etwa, wie Energie in Molekülen transportiert wird, wie lange Quanteneffekte erhalten bleiben oder welche optischen Eigenschaften ein Material zeigt. Solche Prozesse sind für das Verständnis von Photosynthese, neuen lichtaktiven Materialien und zukünftigen Quanten-Technologien von großer Bedeutung. Die im Projekt weiterentwickelte Software baut auf dem Programm DM-HEOM auf. Sie ermöglicht besonders genaue Computersimulationen, benötigt dafür aber oft große Mengen an Arbeitsspeicher und lange Rechenzeiten. Ein wesentlicher Teil Projekts bestand darin, diese anspruchsvollen Berechnungen zugänglicher und verlässlicher zu machen. Dazu wurde insbesondere eine grafische Benutzeroberfläche entwickelt. Sie unterstützt Forschende dabei, die umfangreichen Einstellungen für eine Simulation korrekt zusammenzustellen. Dadurch wird die Nutzung der Software einfacher, Fehleingaben werden verringert, und Berechnungen können besser nachvollzogen und wiederholt werden. Die Software wurde zudem erfolgreich in mehreren Projekten in internationalen Zusammenarbeit der Johannes Kepler Universität Linz eingesetzt. Untersucht wurden lichtsammelnde Molekülkomplexe, wie sie in photosynthetischen Organismen vorkommen. Diese Systeme fangen Sonnenlicht ein und leiten die aufgenommene Energie weiter. Die Berechnungen ermöglichten es, vereinfachte theoretische Beschreibungen mit besonders genauen Referenzrechnungen zu vergleichen. Die Ergebnisse wurden in begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht. Ein weiterer wichtiger Beitrag des Projekts ist der Austausch mit der Open-Source-Software QuTiP, die weltweit für Simulationen von Quantensystemen genutzt wird. Der Vergleich unabhängiger Programme ist ein besonders wirksames Mittel zur Qualitätssicherung: Unterschiede in den Ergebnissen können auf Fehler oder fehlende Funktionen hinweisen. Im Rahmen dieses Vergleichs wurden Fehlerkorrekturen und Verbesserungen angestoßen, die in dessen Weiterentwicklung eingeflossen sind. Damit kommt der Nutzen des Projekts auch einer breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft zugute.