Zweidimensionale Quantensimulation verbessern
Unsere Welt auf der Ebene der einzelnen Bestandteile der Materie wird von der Quantenmechanik beherrscht. Über die Quantenvielteilchenphysik werden dabei die Wechselwirkungen der Teilchen untereinander nach diesen Gesetzen untersucht. Zu derartigen Systemen gehören zum Beispiel Wechselwirkungen zwischen magnetischen Teilchen in einem Festkörper. In der Wissenschaft sind zwar die grundlegenden Gleichungen bekannt, die diese Wechselwirkungen beschreiben, doch ist es schwierig, sie im Detail zu analysieren, und eine exakte Simulation – selbst auf Supercomputern – ist unmöglich. Bei der Quantensimulation werden gut kontrollierte experimentelle Systeme genutzt, um Einblicke in diesen komplexen Bereich der Physik zu gewinnen. Diese Simulatoren kodieren Informationen in einer Reihe von Quantensystemen, den sogenannten Qubits, die eine bemerkenswerte Kontrolle über einzelne Atome erfordern. Im Rahmen des Projekts SPICY(öffnet in neuem Fenster), das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, wurde ein neuer Quantensimulator zur Erforschung der Dynamik von Vielteilchenproblemen entwickelt. Bei der Vorrichtung handelt es sich um einen Quantensimulator mit 100 Teilchen, der die Wechselwirkungen zwischen Teilchen nicht nur in einer, sondern in zwei Dimensionen untersuchen kann. „Dies eröffnet die Möglichkeit, bestimmte Phänomene der Quantenvielteilchenphysik zu untersuchen, die bereits auf der Ebene von 100 Teilchen für exakte numerische Methoden unerreichbar sind“, erklärt Christian Roos(öffnet in neuem Fenster), leitender Wissenschaftler am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation an der Universität Innsbruck(öffnet in neuem Fenster) und Hauptforscher des Projekts SPICY.
Ein zweidimensionales System aufbauen
Das Team hatte zwei Beweggründe, um sein zweidimensionales System zu entwickeln: die Skalierung auf eine größere Anzahl von Partikeln und die Bereitstellung einer zweidimensionalen Geometrie der Bestandteile. „In der Theorie wurden Verfahren erarbeitet, um die Grundzustände eindimensionaler Systeme mit einer sehr großen Anzahl von Teilchen zu berechnen“, fügt Roos hinzu. „Für zweidimensionale Systeme gibt es solche Methoden nicht in gleichem Maße.“
Experimentelle Plattform für die Vielkörperphysik
Gefangene Ionen werden als experimentelle Plattform eingesetzt, um die Quantenvielteilchenphysik zu erforschen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Ionen mithilfe von elektrischen Feldern in verschiedenen Konfigurationen einzufangen, alle mit Vor- und Nachteilen. Die SPICY-Experimentierplattform nutzt eine Hochfrequenzfalle, bei der elektrische Felder zum Einschluss von Ionen eingesetzt werden. Das Team richtete eine Falle ein, um planare Ionen-Coulomb-Kristalle(öffnet in neuem Fenster) einzufangen, also ungewöhnliche Materiezustände, die als ein quantenmechanisches System in Form eines Gitters behandelt werden können. Dieses Gerät kann so eingestellt werden, dass es Ionen in zwei Dimensionen einfängt, nicht nur in einem Faden. Bei der Falle handelt es sich um eine Mikrostruktur, die aus einem einzigen Stück goldbeschichtetem Quarzglas besteht, das mit verschiedenen Elektroden versehen ist, um eine präzise Steuerung des Potenzials zu verwirklichen, in dem sich die Ionenkristalle befinden.
Das Versuchsgerät prüfen
Der nächste Schritt bestand aus der Durchführung von Experimenten mit dem neuen Gerät. Anfangs war das Team besorgt, da die Anordnung der planaren Eisenkristalle nicht fest ist und die Gefahr besteht, dass sie mit anderen Atomen kollidieren, wodurch sinnvolle Experimente unmöglich sind. Das Team fand Möglichkeiten, diese Schwierigkeit durch eine Feinabstimmung der Parameter des Geräts zu überwinden. Ein weiterer wichtiger projektinterner Schritt war der Nachweis, dass kollektive Bewegungsmoden bis zu den niedrigsten Quantenzuständen abgekühlt werden können. „Wir haben dann damit begonnen, die internen Energieniveaus der Ionen zu koppeln und dann verschränkende Wechselwirkungen zwischen den Teilchen zu erzeugen“, erklärt Roos.
Auf dem Weg zu meteorologisch verwertbaren Quantenzuständen
Neben den Hauptergebnissen setzten die Forschenden das Gerät auch für die „Spin-Quetschung“ ein, ein Verfahren, mit dem Quantenzustände erzeugt werden können, die meteorologisch nützlich sind. „Dies ist ein neuartiger Teil der quantenphysikalischen Experimente, die wir durchgeführt haben“, sagt Roos.
Schlüsselbegriffe
SPICY, Quantenmechanik, Vielteilchenphysik, Experiment, Vorrichtung, Gerät, zweidimensionales System, Spin-Quetschung, Kristalle
