"Quanten-Simulator" überprüft physikalische Theorien

19. Mai 2017, 17:10
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Wiener Forscher verwenden ein Quantensystem aus tausenden ultrakalten Atomen

Wien – Quantenfeldtheorien sind meist nur sehr schwer experimentell zu überprüfen. Am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) der TU Wien konnte nun aber gezeigt werden, wie man sie in Experimenten gezielt testen kann. Dazu stellten die Forscher ein Quantensystem aus tausenden ultrakalten Atomen her, die festgehalten in einer magnetischen Falle auf einem AtomChip, zu einem "Quanten-Simulator" werden. Ein Quantensystem simuliert somit das andere.

"In einem System wie dem unseren ist die Komplexität so hoch, dass es mathematisch nicht möglich ist, die Bestandteile getrennt voneinander sinnvoll zu beschreiben", erklärt der Erstautor der aktuellen Studie in "Nature", Thomas Schweigler, vom Atominstitut der TU Wien. Stattdessen beschrieben die Physiker die in einer Magnetfalle gefangenen, ultrakalten Rubidiumatome mithilfe kollektiver Prozesse, an denen mehrere Teilchen gleichzeitig beteiligt sind – vergleichbar etwa mit Wellen in einer Flüssigkeit.

Die Sache mit den Messungen

Im Vordergrund der Experimente standen sogenannte Korrelationsfunktionen dieser kollektiven Wellen. Messungen im System an unterschiedlichen Orten werden dabei zueinander in Relation gestellt. "Wenn ich in einem gewöhnlichen Gas im Gleichgewicht an zwei bestimmten Punkten jeweils ein Teilchen messe, ändert das nichts an der Wahrscheinlichkeit dafür, an einem anderen Punkt ein drittes Teilchen zu messen", sagt der Leiter der Forschergruppe, Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien.

"Doch in der Quantenphysik hängen Messungen an unterschiedlichen Orten auf ganz subtile Weise zusammen. Damit geben sie Auskunft über die grundlegenden Naturgesetze, die das Verhalten der atomaren Wolke auf dem Level der Quanten bestimmen".

Bestätigung

Indem sie die Korrelationsfunktionen experimentell bestimmten, konnten die Wissenschafter eine Lösung für das Quantensystem ermitteln und eine alte, theoretische Beschreibung bestätigen. Das Modell ist schon seit Jahrzehnten bekannt, und wurde vom Wiener Physiker Walter Thirring entscheidend mitentwickelt. Ob es aber auch das untersuchte Quantensystem beschreibt, war bisher unklar.

Das Modell bestätigt letztendlich aber, dass die neue Methode zum richtigen Ergebnis führt. "Ultrakalte Atome bieten nun einen natürlichen Zugang, grundlegende physikalische Quantenprozesse im Labor nachzubauen und zu untersuchen", so Schmiedmayer. Damit sollte es in Zukunft möglich sein, ungelöste Quantenprobleme nachzustellen und experimentell eine Lösung zu finden. (APA, red, 19. 5. 2017)

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