Caltech-Team bestätigt erstmals Vorhersagen der Quantentheorie

Ein internationales Team von Physikern hat mithilfe eines Quantensimulators erstmals Energiespektren direkt beobachtet, die von der konformen Feldtheorie vorhergesagt wurden. Damit bestätigten sie jahrzehntealte theoretische Vorhersagen darüber, wie sich Quantensysteme an kritischen Punkten zwischen Ordnung und Unordnung verhalten. Die am 19. August in Nature veröffentlichte Studie wurde von Manuel Endres und Jason Alicea vom Caltech in Zusammenarbeit mit Forschenden aus Paris und München geleitet.techexplorist+1

Die Vermessung der Quantenleiter

Konforme Feldtheorien beschreiben universelle Verhaltensweisen, die auftreten, wenn sich Quantensysteme an der Grenze zwischen geordneten und ungeordneten Zuständen befinden. Obwohl diese Theorien in der modernen Physik von grundlegender Bedeutung sind, da sie von der Hochenergie-Teilchenphysik bis zur kondensierten Materie reichen, wurden ihre Kernvorhersagen bisher noch nie direkt experimentell überprüft.techexplorist

Das Team ordnete Strontiumatome mithilfe optischer Pinzetten in geordneten Ketten an und versetzte sie anschließend in Rydberg-Zustände, in denen benachbarte Atome stark miteinander wechselwirken. Durch die präzise Abstimmung von Laserparametern brachten sie die Atomketten an quantenkritische Punkte und nutzten eine neu entwickelte Methode namens Vielteilchen-Modulationsspektroskopie, um die Energieniveaus zu messen. Das Verfahren funktioniert, indem die Kette mit Laserpulsen unterschiedlicher Frequenzen in Schwingung versetzt wird, um Resonanzantworten zu erfassen, ähnlich wie das Reiben des Rands eines Weinglases mit der richtigen Geschwindigkeit, um einen klaren Ton zu erzeugen.techexplorist

„Wir haben das Experiment an Ketten von bis zu 35 Atomen wiederholt, und die Sprossen entsprachen den Vorhersagen der konformen Ising-Feldtheorie: Nach einer Größenanpassung fielen die Spektren auf eine einzige universelle Kurve zusammen“, sagte Xiangkai Sun, einer der Hauptautoren.techexplorist

Verborgene Muster und zukünftige Richtungen

Da jedes Atom einzeln gesteuert werden kann, entdeckten die Forschenden einen zweiten, verborgenen Satz von Energieniveaus, die nach Symmetrie geordnet sind, was in gewöhnlichen Materialien unmöglich zu untersuchen wäre. Sie steuerten auch den trikritischen Ising-Punkt an und massen dessen spezifisches Spektrum, wobei sie Energieverhältnisse fanden, die mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmten.caltech+1

„Es ist eine Sache, an diese Theorien zu glauben, aber eine ganz andere, sie im Labor tatsächlich auf Herz und Nieren zu prüfen“, sagte Alicea. „Es ist wunderschön zu sehen, wie die Vorhersagen zum Leben erweckt werden“.techexplorist

Mehr Vertrauen in die Quantensimulation

Das Ergebnis fällt mit einem weiteren Fortschritt bei der Zuverlässigkeit von Quantensimulationen zusammen. Forschende der Technischen Universität München und der Universität Innsbruck unter der Leitung von Tristan Kraft und Peter Zoller veröffentlichten in Physical Review X eine Methode zur Bestimmung quantitativer Fehlergrenzen für die Ergebnisse von Quantensimulatoren. Demonstriert an einem Ionenfallensystem mit bis zu 51 Ionen, lernt das Verfahren das tatsächliche Verhalten eines Simulators aus experimentellen Daten und berechnet, wie sich Unsicherheiten auf die Ergebnisse auswirken.eurekalert+1

„Der Quantensimulator liefert somit nicht nur einen einzelnen Wert, sondern ein Ergebnis mit Fehlertoleranzen, die seine Genauigkeit quantifizieren“, so Kraft.eurekalert

Das Caltech-Team plant, seine Arbeit von eindimensionalen Ketten auf zweidimensionale Gitter auszuweiten. „In zwei Dimensionen sind konforme Feldtheorien weitaus weniger verstanden, daher ist dies eine spannende Gelegenheit“, bemerkte Sun.techexplorist