Eine neue Art der Ver­mes­sung von Viel­teil­chen-Quan­ten­sys­te­men prä­sen­tiert die TU Wien in Koope­ra­tion mit der Uni­ver­si­tät Hei­del­berg nun im Fach­jour­nal „Nature“.

In Quan­ten-Simu­la­to­ren wer­den ele­men­tare Fra­gen beant­wor­tet : Was geschah am Beginn des Uni­ver­sums ? Wie kann man die Struk­tur von Quan­ten­ma­te­ria­lien ver­ste­hen ? Wie funk­tio­niert der Higgs-Mechanismus ?
Sol­che Theo­rien aber nur sehr schwer expe­ri­men­tell zu über­prü­fen. Am Vienna Cen­ter for Quan­tum Sci­ence and Tech­no­logy (VCQ) an der TU Wien konnte nun gezeigt wer­den, wie man Quan­ten­feld­theo­rien in Expe­ri­men­ten gezielt tes­ten kann. Dazu stell­ten die For­scher ein Quan­ten­sys­tem aus tau­sen­den ultra­kal­ten Ato­men her, die fest­ge­hal­ten in einer magne­ti­schen Falle auf einem Atom­Chip, zu einem Quan­ten- Simu­la­tor wer­den. Die­ser kann Aus­kunft über ganz andere phy­si­ka­li­sche Sys­teme lie­fern und so dabei hel­fen, grund­le­gende Fra­gen der Phy­sik zu beantworten.
„In einem hoch­kor­re­lier­ten Quan­ten­sys­tem aus meh­re­ren tau­sen­den Teil­chen wie dem unse­ren ist die Kom­ple­xi­tät so hoch, dass es mathe­ma­tisch nicht mög­lich ist, die Bestand­teile getrennt von­ein­an­der sinn­voll zu beschrei­ben“, erklärt Tho­mas Schweig­ler, der Erst­au­tor der Publi­ka­tion. „Statt­des­sen beschreibt man das Sys­tem mit­hilfe kol­lek­ti­ver Pro­zesse an denen eine Viel­zahl von Teil­chen betei­ligt ist, ähn­lich wie Wel­len in Flüs­sig­kei­ten, die ja auch aus unzäh­li­gen Mole­kü­len bestehen.“ Diese kol­lek­ti­ven Pro­zesse wur­den nun mit­hilfe neuer Metho­den aufs Genau­este untersucht.

Höhere Kor­re­la­tio­nen
Wenn man mit hoher Prä­zi­sion misst, an wel­chen Posi­tio­nen sich die ein­zel­nen Atome befin­den, stellt man fest : Nicht an jedem Punkt ist die Wahr­schein­lich­keit, ein Atom zu fin­den, gleich groß. Und diese Wahr­schein­lich­kei­ten an unter­schied­li­chen Orten ste­hen mit­ein­an­der in Ver­bin­dung. „Wenn ich in einem gewöhn­li­chen Gas 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 Jörg Schmied­mayer. „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“
„Die soge­nann­ten Kor­re­la­ti­ons­funk­tio­nen, mit denen man diese Zusam­men­hänge mathe­ma­tisch beschreibt, gel­ten in der theo­re­ti­schen Phy­sik als äußerst wich­ti­ges Instru­ment zur Cha­rak­te­ri­sie­rung von Quan­ten­sys­te­men“, betont Prof. Jür­gen Ber­ges vom Insti­tut für Theo­re­ti­sche Phy­sik der Uni­ver­si­tät Hei­del­berg. Doch wäh­rend sie in der theo­re­ti­schen For­schung schon bis­her stets eine ent­schei­dende Rolle spiel­ten, waren sie im Expe­ri­ment bis­her kaum zugäng­lich. Mit Hilfe der an der TU Wien ent­wi­ckel­ten Metho­den ändert sich das nun. „Wir kön­nen uns Kor­re­la­tio­nen unter­schied­li­cher Ord­nung anse­hen – bis hin zur zehn­ten Ord­nung. Dabei wer­den die Zusam­men­hänge zwi­schen den Ergeb­nis­sen von gleich­zei­ti­gen Mes­sun­gen an zehn ver­schie­de­nen Punk­ten im Raum bestimmt“, erklärt Schmied­mayer. „Für die Beschrei­bung des Quan­ten­sys­tems ist es ganz wich­tig, ob die höhe­ren Kor­re­la­tio­nen durch die Kor­re­la­tio­nen nied­ri­ger Ord­nung dar­ge­stellt wer­den kön­nen – dann kann man sie irgend­wann ver­nach­läs­si­gen, oder ob sie neue Infor­ma­tion ent­hal­ten, und man das Sys­tem viel­leicht mit klas­si­schen Com­pu­tern nie­mals voll­stän­dig beschrei­ben kann.“