Neuer Quantensimulator

  • 04. September 2013

System aus ultrakalten Ionen und fermionischen Atomen bildet Phänomene der Festkörperphysik nach.

Forscher der Universitäten Mainz, Frankfurt am Main, Hamburg und Ulm haben einen neuartigen Quantensimulator vorgeschlagen, der aus einem kombinierten System von ultrakalten gefangenen Ionen in Wechselwirkung mit fermionischen Atomen besteht. Auf diese Weise wollen sie Phänomene der Festkörperphysik simulieren. Das System erweitert die Möglichkeiten gegenüber existierenden Plattformen, denn genuine Eigenschaften von Festkörpersystemen wie die fermionische Besetzungsstatistik der Elektronen und die Elektronen-Phononen-Wechselwirkung sind schon inbegriffen.

Paul-Falle

Abb.: Paul-Falle mit vier Elektroden, in der ein Kristall von Yb+-Ionen gefangen und mit einer optisch gefangenen Wolke von Li-Atomen überlagert wird (Bild: F. Schmidt-Kaler)

Richard Feynman erkannte bereits 1982, dass schon die Berechnung eines kleinen Quantensystems völlig außerhalb der Möglichkeiten von herkömmlichen Computern liegt, denn die Quantenmechanik gehorcht dem Superpositionsprinzip und die Dynamik eines Quantenvielteilchensystems folgt daher praktisch fast unendlich vielen Möglichkeiten simultan, die alle miteinander interferieren. Daher sollte man, so Feynman, im Labor ein einfach kontrollierbares und leicht auslesbares Quantensystem benutzen, um damit das Verhalten von interessanten und unerforschten Quantensystemen nachzuahmen und zu verstehen.

Die Wissenschaftler nutzten nun einen linearen Ionenkristall und ein entartetes Fermigas, um die atomaren Rümpfe und die Elektronen in einem Festkörper zu simulieren. Von besonderem Interesse sind Phasenübergänge. Weitere Möglichkeiten dieses Quantensimulators liegen in der Erforschung der Phononen-vermittelten Elektron-Elektron-Wechselwirkung, die für die immer noch nicht vollständig geklärte Hochtemperatur-Supraleitung verantwortlich gemacht wird.

JGU / AH

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