Test af kvantefeltteori i en kvantesimulator

Kvantefeltteorier er ofte svære at verificere i eksperimenter. Nu, der er en ny måde at sætte dem på prøve. Forskere har skabt et kvantesystem bestående af tusindvis af ultrakolde atomer. Ved at holde dem i en magnetisk fælde på en atomchip, denne atomsky kan bruges som en 'kvantesimulator', som giver ny indsigt i nogle af fysikkens mest fundamentale spørgsmål.

Hvad skete der lige efter universets begyndelse? Hvordan kan vi forstå strukturen af ​​kvantematerialer? Hvordan fungerer Higgs-mekanismen? Sådanne fundamentale spørgsmål kan kun besvares ved hjælp af kvantefeltteorier. Disse teorier beskriver ikke partikler uafhængigt af hinanden; alle partikler ses som et kollektivt felt, gennemsyrer hele universet.

Men disse teorier er ofte svære at teste i et eksperiment. På Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) ved TU Wien, forskere har nu demonstreret, hvordan kvantefeltteorier kan sættes på prøve i nye former for eksperimenter. De har skabt et kvantesystem bestående af tusindvis af ultrakolde atomer. Ved at holde dem i en magnetisk fælde på en atomchip, denne atomsky kan bruges som en "kvantesimulator", som giver information om en række forskellige fysiske systemer og ny indsigt i nogle af fysikkens mest fundamentale spørgsmål.

Komplekse kvantesystemer - mere end summen af ​​deres dele

"Ultra kolde atomer åbner en dør til at genskabe og studere fundamentale kvanteprocesser i laboratoriet", siger professor Jörg Schmiedmayer (VCQ, TU Wien). Et karakteristisk træk ved et sådant system er, at dets dele ikke kan studeres uafhængigt.

De klassiske systemer, vi kender fra daglig erfaring, er ret forskellige:Kuglernes baner på et billardbord kan studeres hver for sig - kuglerne interagerer kun, når de støder sammen.

"I et højt korreleret kvantesystem som vores, lavet af tusindvis af partikler, kompleksiteten er så høj, at en beskrivelse i forhold til dens grundlæggende bestanddele er matematisk umulig", siger Thomas Schweigler, avisens første forfatter. "I stedet, vi beskriver systemet i form af kollektive processer, hvori mange partikler deltager - svarende til bølger i en væske, som også består af utallige molekyler." Disse kollektive processer kan nu studeres i hidtil uset detaljer ved hjælp af de nye metoder.

Højere korrelationer

Ved højpræcisionsmålinger, det viser sig, at sandsynligheden for at finde et individuelt atom ikke er den samme på hvert punkt i rummet – og der er spændende sammenhænge mellem de forskellige sandsynligheder. "Når vi har en klassisk gas, og vi måler to partikler på to separate steder, dette resultat påvirker ikke sandsynligheden for at finde en tredje partikel på et tredje punkt i rummet", siger Jörg Schmiedmayer. "Men i kvantefysik, der er subtile forbindelser mellem målinger på forskellige punkter i rummet. Disse korrelationer fortæller os om de grundlæggende naturlove, som bestemmer atomskyens opførsel på kvanteniveau."

"De såkaldte korrelationsfunktioner, som bruges til matematisk at beskrive disse sammenhænge, er et ekstremt vigtigt værktøj i teoretisk fysik til at karakterisere kvantesystemer", siger professor Jürgen Berges (Institutet for Teoretisk Fysik, Heidelberg Universitet). Men selvom de har spillet en vigtig rolle i teoretisk fysik i lang tid, disse korrelationer kunne næppe måles i eksperimenter. Ved hjælp af de nye metoder udviklet på TU Wien, dette ændrer sig nu:"Vi kan studere korrelationer af forskellige ordener - op til tiende orden. Det betyder, at vi kan undersøge sammenhængen mellem samtidige målinger på ti forskellige punkter i rummet", Schmiedmayer forklarer. "For at beskrive kvantesystemet, det er meget vigtigt, om disse højere korrelationer kan repræsenteres af korrelationer af lavere orden - i dette tilfælde, de kan blive forsømt på et tidspunkt - eller om de indeholder ny information."

Kvantesimulatorer

Ved at bruge sådanne stærkt korrelerede systemer som atomskyen i den magnetiske fælde, forskellige teorier kan nu afprøves i et velkontrolleret miljø. Dette giver os mulighed for at opnå en dyb forståelse af karakteren af ​​kvantekorrelationer. Dette er især vigtigt, fordi kvantekorrelationer spiller en afgørende rolle i mange, tilsyneladende uafhængige fysikspørgsmål:Eksempler er den ejendommelige adfærd i det unge univers lige efter big bang, men også til specielle nye materialer, såsom de såkaldte topologiske isolatorer.

Vigtig information om sådanne fysiske systemer kan opnås ved at genskabe lignende forhold i et modelsystem, som atomskyerne. Dette er den grundlæggende idé med kvantesimulatorer:Ligesom computersimuleringer, som giver data, hvorfra vi kan lære noget om den fysiske verden, en kvantesimulering kan give resultater om et andet kvantesystem, som ikke kan tilgås direkte i laboratoriet.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Natur .