Quan­ten-Simu­la­to­ren als neues Werk­zeug für die For­schung. Quan­ten­phy­sik wird durch andere Quan­ten­phy­sik erklärt. For­scher aus Inns­bruck und Wien ent­wi­ckeln Metho­den für künf­tige Veri­fi­ka­tion die­ser neuen Technologie.

Quan­ten­phy­sik ist ein viel­fäl­ti­ges Gebiet : Sie beschreibt Teil­chen­kol­li­sio­nen kurz nach dem Urknall ebenso wie Elek­tro­nen in fes­ten Mate­ria­lien oder Atome weit drau­ßen im All. Aber nicht alle Quan­ten-Objekte sind gleich ein­fach zu unter­su­chen. Bei man­chen, etwa beim frü­hen Uni­ver­sum, sind direkte Expe­ri­mente über­haupt unmöglich. 

Insti­tut für Quan­ten­op­tik und Quan­ten­in­for­ma­tion in Inns­bruck und TU Wien
In sol­chen Fäl­len kön­nen dann „Quan­ten-Simu­la­to­ren“ ver­wen­det wer­den. Dabei wer­den Quan­ten­sys­teme unter­sucht (zB. eine Wolke ultra­kal­ter Atome), um etwas über ein ande­res Sys­tem zu ler­nen das zwar phy­si­ka­lisch ganz anders aus­sieht, aber doch den glei­chen Gesetz­mä­ßig­kei­ten folgt, sich also an die­sel­ben mathe­ma­ti­schen Glei­chun­gen hält. Wel­che Glei­chun­gen das sind, die ein bestimm­tes Quan­ten­sys­tem bestim­men, ist oft schwer herauszufinden. 

For­schen­den an der Uni­ver­si­tät Inns­bruck, dem Insti­tut für Quan­ten­op­tik und Quan­ten­in­for­ma­tion (IQOQI) und der TU Wien ent­wi­ckel­ten nun eine Methode, wo direkt aus dem Expe­ri­ment ables­bar ist, wel­che phy­si­ka­li­sche Theo­rie das Ver­hal­ten des Quan­ten­sys­tems effek­tiv beschreibt. Das erlaubt nun eine Qua­li­täts­kon­trolle, ob der Quan­ten­si­mu­la­tor auch wirk­lich das tut, was man simu­lie­ren möchte, und damit sol­len nun quan­ti­ta­tive Aus­sa­gen über Quan­ten­sys­teme mög­lich wer­den, die man nicht direkt unter­su­chen kann.

Ver­ständ­nis durch Mes­sun­gen mit Analog-Experimenten
„In der Quan­ten­phy­sik stößt man oft auf sehr kom­pli­zierte Glei­chun­gen. Wenn eine grö­ßere Zahl von Teil­chen im Spiel ist, sind selbst die größ­ten Super­com­pu­ter der Welt damit hoff­nungs­los über­for­dert“, sagt Robert Ott, Post­doc in der Gruppe von Han­nes Pich­ler an der Uni­ver­si­tät Inns­bruck. „Wenn man ein genau kon­trol­lier- und mess­ba­res Sys­tem von Quan­ten­teil­chen hat, dann las­sen sich damit in man­chen Fäl­len andere Quan­ten­sys­teme für eine Art „Ana­log-Expe­ri­ment“ nach­bil­den. So ähn­lich, als würde man mit Was­ser­wel­len expe­ri­men­tie­ren, um dar­aus etwas über Schall­wel­len zu ler­nen“, erklärt Maxi­mi­lian Prü­fer von der TU Wien.

Eine beson­ders inter­es­sante Vari­ante sol­cher Quan­ten-Simu­la­to­ren sind Wol­ken aus ultra­kal­ten Ato­men. An der TU Wien wer­den soge­nannte Atom­chips ver­wen­det, um diese hoch­kon­trol­liert fest­zu­hal­ten, zu mani­pu­lie­ren und zu unter­su­chen. „In die­sen Atom­wol­ken kommt es auf gro­ßen Ska­len zu Anre­gun­gen, die den­sel­ben mathe­ma­ti­schen Glei­chun­gen gehor­chen wie andere quan­ten­phy­si­ka­li­sche Phä­no­mene, die in ganz ande­ren Situa­tio­nen auf­tau­chen“, sagt Prüfer. 

Theo­rie und Experiment
Theo­rie und Expe­ri­ment zu ver­glei­chen ist in gewis­sem Sinn der Kern der Natur­wis­sen­schaft. „Nor­ma­ler­weise über­legt man, wel­che Theo­rie für eine bestimmte Situa­tion die rich­tige sein könnte, und dann ver­gleicht man die dar­aus resul­tie­ren­den Ergeb­nisse mit dem Expe­ri­ment“, sagt Robert Ott. Im schwie­ri­gen Fall des Quan­ten­si­mu­la­tors haben die For­scher nun eine Mög­lich­keit ent­wi­ckelt, die mathe­ma­ti­schen Gesetze in einer bestimm­ten Situa­tion direkt aus dem Expe­ri­ment abzulesen.

„Wenn man die Atom­wol­ken auf pas­sende Weise ver­misst, dann kann aus bestimm­ten Kor­re­la­tio­nen die­ser Mess­ergeb­nisse direkt abge­le­sen wer­den, aus wel­chen rele­van­ten Wech­sel­wir­kungs-Ter­men der Hamil­ton-Ope­ra­tor besteht, und wel­che Para­me­ter in ihnen vor­kom­men“, skiz­ziert Prü­fer. „Wir lesen mit unse­rer neuen Methode direkt anhand der expe­ri­men­tel­len Daten ab, wie die ent­schei­dende For­mel aus­sieht“, so der TU-Forscher.

Wich­ti­ger For­schungs­be­stand­teil im Exzel­lenz­clus­ter QuantA 
Das ist ein wich­ti­ger Schritt für die Veri­fi­ka­tion sol­cher Quan­ten­si­mu­la­to­ren. „Durch unsere Methode kann man zei­gen, dass der Quan­ten­si­mu­la­tor tat­säch­lich das macht, was er soll – und sich somit auf ein ande­res Quan­ten­sys­tem, das man nicht direkt im Expe­ri­ment unter­su­chen kann, über­set­zen lässt“, sagt Robert Ott von der Uni­ver­si­tät Inns­bruck. Diese Fra­ge­stel­lun­gen sind auch ein wich­ti­ger Bestand­teil der For­schung im Exzel­lenz­clus­ter QuantA, in dem auf expe­ri­men­tel­ler sowie auf theo­re­ti­scher Seite an Quan­ten­si­mu­la­to­ren gear­bei­tet wird. Das For­schungs­team ist zuver­sicht­lich, dass sich auf diese Weise mit Quan­ten­si­mu­la­to­ren in Zukunft Aus­sa­gen über kom­pli­zierte Quan­ten­sys­teme ablei­ten las­sen, die auf andere Weise, etwa durch Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen, nie­mals zugäng­lich gewor­den wären.

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