05.05.2020

Konstruierte QED-Symmetrien

Versuche mit ultrakalten Atomen könnten Basis für zukünftige Quantentechnologien legen.

Die fundamentalen Gesetze der Physik basieren auf Symmetrien, die unter anderem die Wechsel­wirkungen zwischen geladenen Teilchen bestimmen. Forscher der Universität Heidelberg haben mithilfe ultrakalter Atome die Symmetrien der Quanten­elektrodynamik (QED) experi­mentell konstruiert. Sie erhoffen sich neue Erkenntnisse für die Realisierung zukünftiger Quanten­technologien, mit denen komplexe physikalische Phänomene simuliert werden können. 

Abb.: Künst­lerische Visua­lisierung: Symmetrien schränken die Bewegung von...
Abb.: Künst­lerische Visua­lisierung: Symmetrien schränken die Bewegung von ultra­kalten Atomen im Labor ein. (Bild: Cellule)

In der Theorie der Quanten­elektrodynamik geht es um die elektro­magnetische Wechsel­wirkung von Elektronen mit Licht­teilchen. Sie basiert auf der U(1)-Symmetrie, die etwa die Bewegung der Teilchen vorgibt. Mit ihren Experimenten wollen die Heidelberger Physiker unter der Leitung von Fred Jendrze­jewski zu einer effizienten Untersuchung dieser komplexen physi­kalischen Theorie beitragen. Ihnen ist es jetzt gelungen, dafür experimentell einen elementaren Baustein zu realisieren. „Wir sehen unsere Forschungs­ergebnisse als zentralen Schritt hin zu einer Plattform bestehend aus einer Kette korrekt zusammen­gesetzter Bausteine, die einer groß angelegten Implementierung der Quanten­elektrodynamik in ultrakalten Atomen dienen soll“, sagt Jen­drzejewski, der am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg eine Emmy Noether-Gruppe leitet.

Eine mögliche Anwendung sehen die Wissen­schaftler in der Entwicklung von Quanten­großgeräten zur Simu­lation komplexer physikalischer Phänomene, die nicht mit Teilchen­beschleunigern beobachtet werden können. Auch für die Untersuchung von Problemen in der Material­forschung, zum Beispiel bei stark wechsel­wirkenden Systemen, die schwer zu berechnen sind, könnte der von den Heidelberger Wissen­schaftlern entwickelte Baustein von Nutzen sein. Die Arbeiten der Wissen­schaftler wurden im Rahmen des Sonder­forschungs­bereichs „Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen“ (ISOQUANT) von der Deutschen Forschungs­gemeinschaft gefördert.

U. Heidelberg / JOL

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