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Quantenoptik: Teilchenphysik im Simulator

Forscher haben in einem Quantencomputer die spontane Entstehung von Teilchen und Anti­teilchen nachgestellt. Auf diese Weise könnten sich fundamentale Prozesse untersuchen lassen, die klassisch nicht berechenbar sind.
Spontane Entstehung von Teilchen und Antiteilchen (Symbolbild)

Beim Standardmodell der Teilchenphysik, das die grundlegenden Wechselwirkungen in der Natur beschreibt, sind noch viele Details rätselhaft. Oft gibt es keine exakten mathematischen Lösungen, weshalb aufwändige Computerberechnungen nötig werden, die stets nur Näherungen darstellen. Auch eine experimentelle direkte Untersuchung ist häufig unmöglich.

Wissenschaftler um Esteban A. Martinez von der Universität Innsbruck sind nun einen anderen Weg gegangen und haben in einer Versuchsanordnung aus Kalziumionen und Laserstrahlen einen fundamentalen Prozess aus der Elementarteilchenphysik nachgestellt. Das ist ein erster experimenteller Schritt, um mit Hilfe von solchen Systemen einige der offenen Fragen des Standardmodells zu beantworten.

Der berühmte Physiker Richard Feynman (1918 – 1988) hat bereits 1982 festgestellt, dass ein Versuchsaufbau, der quantenphysikalische Effekte originalgetreu nachahmen soll, selbst den Regeln der Quantenmechanik gehorchen muss. Das Konzept hinter einem solchen »Quantensimulator« ist dann sehr elegant: Wenn ein System sich nicht untersuchen lässt, ein anderes sich aber mit all seinen Bestandteilen letztlich genau so verhält, stellt dieses einen Quantensimulator des ersten dar. Kann man eine solche Apparatur bauen, manipulieren und auslesen, ist das genauso gut, als untersuche man das eigentliche System direkt. ...

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  • Quelle

Martinez, E. A. et al.: Real-Time Dynamics of Lattice Gauge Theories with a Few-Qubit Quantum Computer. In: Nature 534, S. 516 – 519, 2016