Wenn Quantendynamik kippt

In den vergangenen Jahren haben Forscher verschiedene programmierbare Quanten­simulatoren entwickelt. Sie verfügen im Vergleich zu einem voll programmier­baren Quanten­computer über einen deutlich beschränkteren Befehlssatz, lassen sich aber auf eine wesentlich größere Zahl von Teilchen skalieren. In den USA haben Forscher nun einen solchen programmier­baren Quanten­simulator dazu verwendet, um Quanten­phasen­übergänge zu studieren. In dem Experiment wurden 51 Atome in optischen Pinzetten („Tweezern”) gefangen und ihre internen Freiheitsgrade mit Lasern manipuliert. Durch die Ausnützung von Eigenschaften von Rydberg-Zuständen erzeugten die Forscher Wechselwirkungen zwischen den Atomen und realisierten so ein kontrolliertes Quanten­vielteilchen­system.

„Interessanterweise kann dieses System in verschiedene Quantenphasen gebracht werden, die alle durch unterschiedliche Quantenphasenübergänge voneinander getrennt sind. Der dynamische Übergang von einer Phase in eine andere ist ein komplexer Prozess“, erklärt Peter Zoller vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Der Theoretiker Peter Zoller hatte gemeinsam mit Kollegen schon vor Jahren die Hypothese aufgestellt, dass der Übergang zwischen Quantenphasen durch „universelle“ Gesetze und Skalierungen beschrieben werden kann, die nur vom Typ des Quantenphasenübergangs abhängen, nicht aber von mikroskopischen Details des Systems. Diese Vorhersage wurde nun in dem Experiment an der Harvard University eindrucksvoll bestätigt. 

„Da in dem Experiment verschiedene Typen von Quantenphasenübergängen zugänglich sind, konnte dies nicht nur bei relativ gut verstandenen Formen von Quantenphasenübergängen untersucht werden, sondern auch bei exotischeren“, erzählt Hannes Pichler. Der gebürtige Südtiroler hat bei Peter Zoller promoviert und forscht seit 2016 als ITAMP Postdoctoral Fellow an der Harvard University, USA. In enger Kooperation mit Peter Zoller und seinen Innsbrucker Kollegen hat Pichler an der Konzeption des Experiments wesentlich mitarbeitet und gemeinsam mit seinen Kollegen das Quantensystem theoretisch modelliert und die Eigenschaften der verschiedenen Phasenübergänge analysiert.

Die nun veröffentlichte Forschungsarbeit entstand in einer Zusammenarbeit von Forschern der Harvard University, des MIT, des Caltech und der Universität Innsbruck sowie des IQOQI Innsbruck und wurde von Mikhail Lukin, Markus Greiner und Vladan Vuletic geleitet. 

U. Innsbruck / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Keesling et al.: Quantum Kibble-Zurek mechanism and critical dynamics on a programmable Rydberg simulator, Nature, online 1. April 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1070-1
• Quantum Optics Theory Group (P. Zoller), Universität Innsbruck