Mit dem Quanten-Simulator grundlegende quantenfeld­theoretische Fragen beantworten – Forscher aus Heidelberg und Wien entwickeln neue Art der Vermessung von Vielteilchen-Quantensystemen

Eine neue Art der Vermessung von Vielteilchen-Quantensystemen haben Wissenschaftler der Technischen Universität Wien in Kooperation mit Physikern der Universität Heidelberg entwickelt. Dabei geht es um sogenannte Quantenfeldtheorien: Diese beschreiben Teilchen nicht getrennt voneinander, sondern als zusammenhängende Felder, die unser ganzes Universum erfüllen. Am Vienna Center for Quantum Science and Technology konnte nun gezeigt werden, wie sich diese Theorien in Experimenten gezielt testen lassen, obwohl sie sonst zum Teil nur sehr schwer experimentell zugänglich sind. Dazu haben die Forscher ein Quantensystem aus tausenden von ultrakalten Atomen hergestellt. Diese Atomwolke wird – festgehalten in einer magnetischen Falle auf einem Atomchip – zu einem Quanten-Simulator, mit dem sich grundlegende physikalische Quantenprozesse im Labor nachbauen und untersuchen lassen. Die aktuellen Forschungsergebnisse wurden in „Nature“ veröffentlicht.

Wird die Atomwolke mit hoher Präzision vermessen, lässt sich feststellen: Nicht an jedem Punkt ist die Wahrscheinlichkeit, ein Atom zu finden, gleich groß. In der Quantenphysik stehen diese Wahrscheinlichkeiten an unterschiedlichen Orten miteinander in Verbindung. Sie geben damit Auskunft über die grundlegenden Naturgesetze, die das Verhalten einer solchen Wolke von Atomen auf dem Level von Quanten bestimmen. Die Korrelationsfunktionen, mit denen diese Zusammenhänge mathematisch beschrieben werden, gelten in der theoretischen Physik als ein äußerst wichtiges Instrument zur Charakterisierung von Quantensystemen, wie der Heidelberger Physiker Prof. Dr. Jürgen Berges erläutert. Allerdings waren wichtige Korrelationsfunktionen hoher Ordnung, bei denen die Zusammenhänge zwischen den Ergebnissen von Messungen an vielen verschiedenen Punkten im Raum bestimmt werden, im Experiment bisher kaum zugänglich. Der Quanten-Simulator macht es nun möglich, Korrelationen bis hin zur zehnten Ordnung präzise zu vermessen.

Anhand dieser hochkorrelierten Quantensysteme mit ultrakalten Atomen, deren Bedingungen mit der Atomwolke in einer magnetischen Falle nachgestellt werden, können die Wissenschaftler unterschiedliche Quantentheorien im Experiment testen. Damit wollen sie unter anderem die gemeinsamen physikalischen Grundlagen sehr unterschiedlicher Systeme ermitteln. Das ist auch das Ziel des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs „Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen“, der zum Juli 2016 an der Universität Heidelberg seine Arbeit aufgenommen hat. Im SFB ISOQUANT haben sich verschiedene physikalische Arbeitsgruppen der Ruperto Carola sowie Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg und der Technischen Universität Wien zusammengeschlossen. Sprecher ist Prof. Berges vom Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg.