Eine Quan­ten-Beschrei­bung für ein Viel­teil­chen­sys­tem zu ent­wi­ckeln ist extrem kom­pli­ziert. Die TU-Wien und die Uni Hei­del­berg ent­wi­ckel­ten nun eine Vari­ante, Quan­ten­theo­rien direkt aus dem Expe­ri­ment abzulesen.

Viele große Fra­gen der Phy­sik las­sen sich mit Hilfe von Quan­ten­feld­theo­rien beant­wor­ten, etwa die Beschrei­bung von Wech­sel­wir­kun­gen zwi­schen Teil­chen. Diese sind in der Fest­kör­per­phy­sik genauso unver­zicht­bar wie in der Kos­mo­lo­gie. Meis­tens ist es aller­dings extrem kom­pli­ziert, ein quan­ten­feld­theo­re­ti­sches Modell für eine bestimmte Fra­ge­stel­lung zu ent­wi­ckeln und das gilt beson­ders für Sys­teme, die aus vie­len wech­sel­wir­ken­den Teil­chen bestehen.

Ein Team der TU-Wien und der Uni­ver­si­tät Hei­del­berg hat nun Metho­den ent­wi­ckelt, mit denen diese Modelle direkt von der Natur abge­le­sen wer­den kön­nen. Das ermög­licht nun nicht nur zu mes­sen und dann die Resul­tate mit theo­re­ti­schen Vor­her­sa­gen zu ver­glei­chen, son­dern eine Art Mes­sung der Theo­rie selbst. Und das soll nun neues Licht in das kom­pli­zierte Gebiet der Viel­teil­chen-Quan­ten­phy­sik bringen.

Zukunfts­tech­no­lo­gie Quanten-Simulatoren
„Von man­chen Quan­ten­sys­te­men haben wir ein­fach keine befrie­di­gende Beschrei­bung, etwa von Hoch­tem­pe­ra­tur-Supra­lei­tern. Andere Sys­teme kön­nen wir grund­sätz­lich nicht direkt beob­ach­ten, etwa das frühe Uni­ver­sum, kurz nach dem Urknall“, erläu­tert Jörg Schmied­mayer vom Vienna Cen­ter of Quan­tum Sci­ence & Tech­no­logy (VCQ) am Atom­in­sti­tut der TU Wien. „Wenn wir trotz­dem etwas über sol­che Quan­ten­sys­teme ler­nen möch­ten, dann wäh­len wir ein ande­res, im Labor kon­trol­lier­ba­res Sys­tem und pas­sen es gezielt so an, dass es sich ähn­lich ver­hält wie das Sys­tem, das uns eigent­lich inter­es­siert“, so Schmied­mayer weiter. 

Trotz­dem blei­ben wesent­li­che Pro­bleme: „Wenn zu viele Teil­chen im Spiel sind, dann wer­den die For­meln der Quan­ten­theo­rie rasch so kom­pli­ziert, dass man sie auch mit den bes­ten Super­com­pu­tern der Welt nie­mals lösen kann“, erklärt Sebas­tian Erne von der TU-Wien.
Hier muss eine ver­ein­fachte Quan­ten-Beschrei­bung gefun­den wer­den, die alle wesent­li­chen Eigen­schaf­ten ent­hält, aber keine Details über die ein­zel­nen Teil­chen mehr benö­tigt. „Das ist ähn­lich einer Beschrei­bung von Gas, wo nicht jedes ein­zelne Atom wich­tig ist, son­dern Grö­ßen wie Druck und Tem­pe­ra­tur“, so Jörg Schmiedmayer.

Empi­risch gefun­dene Quantentheorie
Schmied­mayer ver­weist auf die Natur, die selbst die For­meln für ihre Beschrei­bung lie­fert und nennt for­male Regeln der Quan­ten­theo­rie wie Kor­re­la­tio­nen, Pro­pa­ga­to­ren, Ver­ti­ces oder Feyn­man-Dia­gram­men. Die For­scher­teams bei­der Unis haben einen Weg gefun­den, diese ein­zel­nen Grund­bau­steine expe­ri­men­tell zugäng­lich zu machen. So ergibt sich eine empi­risch gefun­dene Quan­ten­theo­rie für ein Viel­teil­chen­sys­tem. Die Basis für die neue Methode sind Wol­ken aus tau­sen­den ultra­kal­ten Ato­men, die in einer magne­ti­schen Falle auf einem Atom­Chip fest­ge­hal­ten werden. 

„Aus den Quan­ten-Wel­len­mus­tern die­ser Atom­wol­ken kann man jene Kor­re­la­ti­ons­funk­tio­nen ermit­teln, aus denen dann die Grund­bau­steine der dazu pas­sen­den Theo­rie abge­lei­tet wer­den“, erklärt Schmied­mayer. Die aktu­el­len Ergeb­nisse wur­den nun auch im renom­mier­ten Fach­jour­nal „Phy­si­cal Review X“ publi­ziert. Das Pro­jekt wurde vom Wis­sen­schafts­fonds FWF geför­dert, im Rah­men der öster­rei­chi­schen Betei­li­gung am Spe­zi­al­for­schungs­be­reich ISO­QUANT der Deut­schen For­schungs­ge­sell­schaf (DFG).