Quantensimulator aus ultrakalten Atomen

Aus ultrakalten Lithiumatomen konnten Wissenschaftler erstmals ein Quantensystem mit individuellen Eigenschaften herstellen

Atomfalle
Atomfalle

Heidelberg - Quantensysteme sind Systeme, deren Verhalten durch Quanteneffekte bestimmt wird. Beispiele dafür aus der Natur sind Atome, Atomkerne aber auch Phänomene wie die Supraleitung in Festkörpern. Die Eigenschaften von komplexen Quantensystemen kann man nur in bestimmten Grenzen manipulieren und ihr Verhalten lässt sich nicht exakt beschreiben. Wissenschaftler um Selim Jochim von der Universität Heidelberg erzeugten nun erstmals ein künstliches Quantensystem, dessen Eigenschaften sich in vielfältiger Weise einstellen lassen. Damit wird es möglich, natürliche Systeme kontrolliert zu simulieren um deren kompliziertes Verhalten zu verstehen.

Im Experiment hielten die Wissenschaftler ultrakalte Lithiumatome in einer Mikrometer großen optischen Dipolfalle gefangen. Diese wird aus einem leistungsstarken Laser erzeugt, der auf die Atome fokussiert wird und sie an einem bestimmten Ort festhält. Mithilfe von räumlich veränderlichen Magnetfeldern änderten Jochim und seine Kollegen die Form der Atomfalle, sodass einige Atome die Falle verlassen konnten, und stellten so die Anzahl der verbleibenden Atome ein. Nachdem sie die ursprüngliche Form der Atomfalle wiederhergestellt hatten, blieb ein genau definiertes Quantensystem zurück. Die Physiker erzeugten reproduzierbare Systeme mit einem bis zehn Teilchen, dessen Wechselwirkung untereinander sie mit weiteren magnetischen Feldern beeinflussen konnten.

Durch solche kontrollierbare Quantensysteme erhoffen sich Wissenschaftler ein besseres Verständnis der Vorgänge fundamentaler Systeme in der Natur, welche sonst experimentell kaum zugänglich sind. Anhand eines Systems mit einer anziehenden Wechselwirkung zwischen den Atomen ließen sich beispielsweise so genannte Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-ähnliche Paarbildungen untersuchen, wie sie aus supraleitenden Materialien bekannt sind. Erzeugt man dagegen eine abstoßende Wechselwirkung der Atome, folgt daraus eine Verschränkung dieser, was in Quantencomputern ausgenutzt werden könnte.