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Am Atomchip werden Atom-Wolken festgehalten und manipuliert © TU Wien
Am Atomchip werden Atom-Wolken festgehalten und manipuliert © TU Wien

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Ein Quantensimulator zur Überprüfung physikalischer Theorien

18.05.2017

Ein Quantensystem simuliert das andere: Wiener Physiker haben gemeinsam mit deutschen Kollegen ein Experiment entwickelt, mit dem sie eine gängige Theorie bestätigen konnten. Eingesetzt als "Quantensimulator" könnte die Methode in Zukunft zur Erforschung anderer Quantensysteme eingesetzt werden, wie die Wissenschafter nun im Fachjournal "Nature" berichten.

Quantensysteme sind mitunter äußerst komplexe Gebilde - vor allem wenn sie, wie im Fall des nun an der Technischen Universität (TU) Wien durchgeführten Experiments, aus Tausenden miteinander wechselwirkenden Teilchen bestehen. Für ihre Beschreibung werden in der Regel Quantenfeldtheorien herangezogen, die die Teilchen nicht getrennt voneinander, sondern als großes Feld betrachten.

"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, 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.

"Messungen hängen auf subtile Weise zusammen"

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".

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.

Service: http://dx.doi.org/10.1038/nature22310

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