Gekrümmte Raumzeit im Quanten-Simulator

Die Relativitäts­theorie funktioniert großartig, wenn man Phänomene auf kosmischer Skala erklären möchte – etwa die Gravitationswellen, die bei der Kollision von schwarzen Löchern entstehen. Die Quantentheorie funktioniert großartig, wenn man Phänomene auf Teilchenskala erklären möchte – etwa das Verhalten einzelner Elektronen im Atom. Beides miteinander auf völlig zufrieden­stellende Weise zu verbinden, ist aber noch nicht gelungen. Die Suche nach einer „Quanten­theorie der Gravitation“ gilt als eine der großen ungelösten Aufgaben der Wissenschaft. Das liegt unter anderem daran, dass die Mathematik auf diesem Gebiet extrem kompliziert ist, und dass es gleichzeitig extrem schwierig ist, passende Experimente durchzuführen: Man müsste Situationen schaffen, in denen sowohl Phänomene der Relativitäts­theorie eine wichtige Rolle spielen, etwa eine durch schwere Massen gekrümmte Raumzeit, und gleichzeitig Quanten­effekte sichtbar werden, zum Beispiel die kombinierte Teilchen- und Wellennatur von Licht.

An der TU Wien entwickelte man dafür nun einen neuen Zugang: Mit einem Quantensimulator geht man solchen Fragen auf den Grund: Man untersucht nicht das System, über das man eigentlich etwas lernen möchte – Quanten­teilchen in einer gekrümmten Raumzeit –, sondern erzeugt stattdessen ein Modellsystem, eine einfacher zu handhabende Simulation, aus der man dann durch Analogie­schlüsse etwas über das eigentlich interessante System lernen kann. Dass dieser Quanten­simulator ausgezeichnet funktioniert, konnte das Team nun zeigen. An der inter­nationalen Kooperation waren die Universität Kreta, die Nanyang Techno­logical University und die FU Berlin beteiligt.

Die Grundidee hinter dem Quanten­simulator ist einfach: Viele Systeme in der Quantenphysik ähneln einander. Auch wenn es sich um völlig unter­schiedliche Teilchensorten handelt, oder um physikalische Systeme, die auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben, kann es sein, dass die Systeme auf tieferer Ebene denselben Gesetzen und Gleichungen gehorchen. Das bedeutet, dass man über ein bestimmtes System etwas lernen kann, indem man ein anderes System untersucht.

„Wir nehmen also ein Quantensystem, von dem wir wissen, dass wir es im Experiment sehr gut kontrol­lieren und anpassen können“, sagt Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „In unserem Fall sind das ultrakalte Atomwolken, die von einem Atomchip mit elektro­magnetischen Feldern festgehalten und manipuliert werden.“ Wenn man diese Atomwolken auf geeignete Weise anpasst, sodass sich ihre Eigenschaften in ein anderes Quantensystem übersetzen lassen, kann man aus der Vermessung des Atomwolken-Modell­system etwas über das andere System lernen – ähnlich wie man etwa aus der Schwingung einer Masse, die an einer Metallfeder befestigt ist, etwas über die Schwingung eines Pendels an einer Schnur lernen kann: Es sind zwei verschiedene physika­lische Systeme, aber das eine lässt sich in das andere übersetzen.

„Wir konnten nun zeigen, dass sich auf diese Weise ganz eindeutig Effekte hervorrufen lassen, mit denen man die Krümmung der Raumzeit nachstellen kann“, sagt Mohammadamin Tajik vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ). Im Vakuum des Weltraums breitet sich Licht auf einem Lichtkegel aus: Die Licht­geschwindigkeit ist konstant, in gleichen Zeiten bewegt sich das Licht in jede Richtung gleich weit. Wenn das Licht allerdings durch schwere Massen beeinflusst wird, etwa durch die Gravitation der Sonne, dann werden diese Lichtkegel verbogen. Die Pfade, die das Licht zurücklegt, sind in einer gekrümmten Raumzeit wegen des Gravitations­linsen-Effekts nicht mehr perfekt gerade.

Dasselbe kann man nun auch in den Atomwolken zeigen. An Stelle der Licht­geschwindigkeit untersucht man dort die Schall­geschwindigkeit. „Nun haben wir also ein System, in dem es einen Effekt gibt, der einer Raumzeit­krümmung beziehungsweise einer Gravitationslinse entspricht, gleichzeitig handelt es sich aber um ein Quantensystem, das man mit Quantenfeld­theorien beschreiben kann“, sagt Mohammadamin Tajik. „Auf die Weise haben wir also ein völlig neues Werkzeug, um den Zusammenhang zwischen Relativitäts­theorie und Quanten­theorie zu untersuchen.“

Die Experimente zeigen, dass die Form der Lichtkegel, Linseneffekte, Reflexionen und andere Phänomene in diesen Atomwolken genau auf dieselbe Weise demonstriert werden können, wie man das in rela­tivistischen kosmischen Systemen erwarten würde. Das ist nicht nur interessant, um neue Daten für theoretische Grundlagen­forschung zu generieren – auch in der Festkörper­physik und bei der Suche nach neuen Materialien stößt man auf Fragen, die eine ähnliche Struktur haben und daher von solchen Experimenten beantwortet werden können.„Wir wollen diese Atomwolken nun noch besser steuern, damit wir noch weit­reichendere Daten ermitteln können. So lassen sich etwa Wechselwirkungen zwischen den Teilchen noch ganz gezielt verändern“, erklärt Jörg Schmiedmayer. Auf diese Weise kann der Quanten­simulator physika­lische Situationen nachstellen, die so kompliziert sind, dass man sie auch mit Supercomputern nicht berechnen kann.

Der Quanten­simulator wird so zu einer neuen, zusätzlichen Informations­quelle für die Quanten­forschung – zusätzlich zu theoretischen Berechnungen, Computer­simulationen und direkten Experimenten. Das Forschungsteam hofft, bei der Untersuchung der Atomwolken auf neue, bisher vielleicht noch völlig unbekannte Phänomene zu stoßen, die auf kosmischer, relativis­tischer Skala ebenso stattfinden – aber ohne einen Blick auf winzige Teilchen vielleicht nie entdeckt worden wären.

TU Wien / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Tajik et al.: Experimental observation of curved light-cones in a quantum field simulator, PNAS 120, e2301287120 (2023); DOI: 10.1073/pnas.2301287120
• Atomchip-Gruppe, Atominstitut, Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), Technische Universität Wien

Weitere Beiträge

• R. Schützhold, Kosmische Felder im Labor, Physik Journal, Februar 2023, S. 18 PDF