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Die Geheimnisse der Zeitentwicklung entwirren

Die mathematische Beschreibung der Wechselwirkungen von Teilchen liefert Einblicke in die Physik kondensierter Materie, zu Quantencomputern und zum Ursprung des Universums. Zwei neue Theorien überschreiten bisherige Grenzen und sollten zu weiteren Entdeckungen führen.
Die Geheimnisse der Zeitentwicklung entwirren
Bei Gittereichtheorien (lattice gauge theories, LGTs) handelt es sich um Feldtheorien zur Erklärung der Dynamik von Elementarteilchen auf einem Raum-Zeit-Gitter, wo Raum-Zeit in einzelne Einheiten quantisiert worden ist. Sie spielten eine wichtige Rolle in einer Vielzahl von Beschreibungen aus der Teilchenphysik sowohl in der Grundlagen- als auch in der angewandten Forschung. Die Quantenchromodynamik (QCD) ist eine solche Theorie und beschreibt die Physik der starken, durch Gluonen vermittelten Wechselwirkungen zwischen Quarks. LGTs sind auch wichtig für die Bereiche Quantenferromagnetismus, Supraleitung und Quantencomputer.

Die meisten Implementierungen von LGTs beruhen auf Monte-Carlo-Simulationen, die mit einigen wichtigen Einschränkungen im Zusammenhang stehen, etwa mit der Schwierigkeit bei der Beschreibung von Quantenverschränkung (im Wesentlichen eine gegenseitige Abhängigkeit der Quantenzustände von zwei oder mehr Objekten) sowie bei der Durchführung von Zeitentwicklungen. Das EU-finanzierte Projekt 'Entanglement renormalization and gauge symmetry' (ENGAGES) hat diese Einschränkungen durch die Anwendung von Verschränkungsrenormalisierung (VR) bei der LGT-Formulierung überwunden. Mit dem Ansatz der Verschränkungsrenormalisierung soll das Ausmaß der Verschränkung eines Blocks von Gitterstellen reduziert werden, um den Vernetzungsgrad des Gitters zu vereinfachen.

Zwei im Kontext des Projekts neu entwickelte LGTs bilden die Grundlagen für experimentelle und numerische Untersuchungen der beiden Grundzustandseigenschaften und der Dynamik von kurzzeitigen Ungleichgewichten, die vorher mit Monte-Carlo-Simulationen nicht zugänglich waren. Innerhalb von 2 Jahren wurden 11 wissenschaftliche Arbeiten zu den Ergebnissen veröffentlicht, die außerdem in eine derzeit in der Entwicklung befindlichen numerischen LGT-Toolbox integriert werden.

ENGAGES erweiterte die verfügbaren mathematischen Techniken zur Beschreibung und Untersuchung der Elementarteilchendynamik durch zwei neue VR-LGTs. Bessere Beschreibungen von Quantenverschränkung und Zeitentwicklungen haben direkte Implikationen für die Bereiche Quanten-Computing und Spintronik sowie für die Astrophysik kompakter Sterne. Die Anwendung der Techniken verspricht eine Flut von Innovationen sowohl in der experimentellen Forschung als auch in der theoretischen Wissenschaft.

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