05.12.2022

Farbladungen mit photonischen Chips modellieren

Dreidimensionale Holonomie ermöglicht die Simulation von Farbladungen.

Seit den 1970er Jahren wurde mit Teilchen­beschleunigern nach und nach ein regelrechter Teilchenzoo von Elementar­teilchen untersucht. Darin finden sich unter anderem Quarks, die sich von anderen Teilchen durch ihre seltsamen Eigen­schaften unterscheiden, die gänzlich eigenen Gesetz­mäßigkeiten unterliegen und in keiner anderen Form von Materie wieder zu finden sind. „Das Ungewöhn­liche an Quarks ist, dass sie neben der elektrischen Ladung auch eine Farbladung besitzen, von der es nicht nur eine, sondern gleich drei Sorten gibt: rot, grün und blau“, sagt Stefan Scheel von der Arbeitsgruppe Quantenoptik makro­skopischer Systeme der Universität Rostock.

Abb.: Schaltkreis in einem photonischen Chip aus Glas. (Bild: J. Tetzke, U....
Abb.: Schaltkreis in einem photonischen Chip aus Glas. (Bild: J. Tetzke, U. Rostock)

Genau diese Farbladung ist es, die eine direkte Beobachtung von Quarks in ihrem natürlichen Umfeld so schwierig macht. Dem Rostocker Team ist es nun gelungen, die grund­legenden Symmetrie­eigenschaften der Quarks mit Hilfe von Licht nachzubilden. Alexander Szameit, Gruppenleiter der Arbeits­gruppe Experimentelle Festkörper­optik, erklärt den experimentellen Ansatz: „Wir nutzen ultra­intensive Laser, um in einem unschein­baren Stück Glas einen Schaltkreis für Licht entstehen zu lassen. In einem solchen photonischen Chip lassen sich dann hoch­komplexe Phänomene modellieren, beispielsweise die Farbladung von Quarks.“

Um die drei Farb­ladungen zu simulieren, griffen die Rostocker in die Trick­kiste der Quantenoptik: Photonen zeichnen sich nicht nur dadurch aus, dass sie sich an mehreren Orten gleich­zeitig aufhalten können – es können auch mehrere von ihnen zur gleichen Zeit am selben Ort sein. „Durch diese Eigenschaft können wir Holonomien erzeugen, indem wir Photonen durch den photonischen Chip schicken. Solche Holonomien haben äußerst spannende Eigen­schaften. Zum Beispiel hängen sie überhaupt nicht von der Zeit ab“, erklärt Vera Neef, die sich in ihrer Doktorarbeit mit Quanten­optik befasst. Julien Pinske, Doktorand der theoretischen Physik, ergänzt: „Um nun die drei Farbladungen zu simulieren, haben wir eine drei­dimensionale Holonomie erzeugt, was bisher nur in solchen künstlich erzeugten Licht-Systemen möglich ist. Das ist nichts, was in unserer Alltags­erfahrung vorkommt.“

Von ihrer weltweit ersten experimentellen Realisierung eines solchen Effekts erhoffen sich die Forschenden tiefere Einblicke in die faszi­nierende Welt der roten, grünen und blauen Quarks-Teilchen. Jenseits der Grundlagen­forschung versprechen die so gewonnenen Erkennt­nisse wesentliche Verbesserungen im Bereich der Quanten­technologien, insbe­sondere bei einer neuen Generation von Quanten­computern, die weitaus stabiler laufen als ihre Vorgänger.

TU Wien / JOL

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