String Break im Quantensimulator
Trennung von zwei stark gebundenen Teilchen erfolgreich nachgebildet.
„String Breaking“ tritt auf, wenn der „String“ zwischen zwei stark gebundenen Teilchen, wie etwa einem Quark-Antiquark-Paar, reißt und neue Teilchen entstehen. Dieses Konzept ist zentral für das Verständnis der starken Wechselwirkungen, wie sie in der Quantenchromodynamik (QCD) auftreten, der Theorie, die die Bindung von Quarks in Protonen und Neutronen beschreibt. Experimentell ist „String Breaking“ äußerst schwierig zu beobachten, da es in der Natur nur unter extremen Bedingungen auftritt. Die neue Arbeit von Wissenschaftlern der Universitäten Innsbruck und Harvard, des ÖAW-Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) und des Quantencomputerunternehmens QuEra zeigt nun erstmals, wie dieses Phänomen in einem analogen Quantensimulator nachgebildet werden kann.
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Auf Basis eines Vorschlags des Theorie-Teams um Peter Zoller ordneten die Forscher mit Hilfe der programmierbaren Aquila-Neutralatom-Plattform von QuEra bis zu mehrere Dutzend Rubidium-Atome in optischen Fallen mit Kagome-Geometrie – ähnlich einem traditionellen japanischen Flechtmuster – an. „Wir haben uns theoretisch überlegt, was das minimale Setup wäre, in dem dieses Phänomen beobachtet werden könnte. Und dabei haben wir uns die Fortschritte in der experimentellen Kontrolle von Neutralatom-Simulatoren zu Nutze gemacht“, sagt Torsten Zache aus dem Team von Peter Zoller.
So ließ sich auf dem Quantensimulator die Theorie der starken Wechselwirkung nachahmen. „Die van der Waals Wechselwirkungen zwischen den Rydbergatomen, die hier verwendet werden, führen dazu, dass zwei Atome nicht gleichzeitig angeregt werden können, wenn sie sich sehr nahekommen. Sie blockieren sich gegenseitig“, sagt Zache. „Dieser Effekt spiegelt die Einschränkung wider, denen sich Elementarteilchen wie Gluonen oder Quarks durch die starke Wechselwirkung ausgesetzt sehen.“ In dem Experiment konnten die Physiker in Echtzeit die Dynamiken verfolgen, die zum „String Breaking“ führen. „Die Beobachtung des String Breaking in einer kontrollierten 2D-Umgebung ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Nutzung von Quantensimulatoren für die Erforschung der Hochenergiephysik“, sagt Daniel González-Cuadra.
Schon 2016 hatte ein Team um Rainer Blatt und Peter Zoller erstmals die eindimensionale Simulation einer Eichfeldtheorie demonstriert. „Eichtheorien bestimmen einen Großteil der modernen Physik. Die Demonstration dieser Theorien in zwei Dimensionen – wo Strings sich biegen und fluktuieren können – schafft die Voraussetzungen für die Erforschung noch reichhaltigerer Phänomene, einschließlich nicht-abelscher Eichfelder und topologischer Materie“, sagt Zoller. „Unsere Zusammenarbeit unterstreicht den Wert offener, programmierbarer Neutralatom-Hardware für die Grundlagenforschung“, ergänzt Alexei Bylinskii von QuEra Computing.
U. Innsbruck / JOL
