Die kleinsten bekannten Bausteine der Materie sind die Elementarteilchen, deren Eigenschaften die Teilchenphysik mit dem sogenannten Standardmodell beschreibt. Spätestens seit dem Nachweis des Higgs-Teilchens 2012 am europäischen Kernforschungszentrum CERN, an dessen Entdeckung das Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) beteiligt war, gilt das Modell als weitgehend bestätigt. Allerdings sind viele Aspekte dieser Theorie noch nicht verstanden und können aufgrund ihrer Komplexität auf klassischen Computern auch nicht zufriedenstellend untersucht werden.

Quantensimulatoren könnten hier in Zukunft Abhilfe schaffen, indem sie einzelne Aspekte der Elementarteilchenphysik in einem Quantensystem nachbilden. Einen Schritt in diese Richtung haben nun Physiker der Universität Innsbruck und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW gesetzt. Die Forschungsgruppen um Rainer Blatt und Peter Zoller haben zum weltweit ersten Mal eine Gitter-Eichfeldtheorie in einem Quantensystem simuliert und berichten darüber in der Fachzeitschrift „Nature“.

Paarbildung auf einem Quantencomputer simuliert

Eichtheorien beschreiben die Wechselwirkung zwischen elementaren Teilchen, wie zum Beispiel Quarks und Gluonen, und sind die Basis für unser Verständnis von fundamentalen Prozessen. „Äußerst schwer zu behandeln sind dynamische Prozesse wie die Kollision von Elementarteilchen oder die spontane Entstehung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren“, erklärt Theoretikerin Christine Muschik vom IQOQI der ÖAW.

„Hier stoßen numerische Berechnungen auf klassischen Computern extrem rasch an ihre Grenzen. Aus diesem Grund wurde vorgeschlagen, solche Prozesse mit einem kontrollierten Quantensystem zu simulieren.“ In den vergangenen Jahren entstanden viele interessante Vorschläge, die bisher aber nicht realisiert werden konnten. „Ein von uns neu entwickeltes Konzept ermöglicht es nun, die spontane Entstehung von Elektron-Positron-Paaren aus dem Vakuum auf einem Quantencomputer zu simulieren“, sagt Muschik.

Das Quantensystem besteht aus vier elektromagnetisch gefangenen Kalzium-Ionen, die durch Laserpulse kontrolliert werden. „Je zwei Ionen repräsentieren ein Paar aus Teilchen und Antiteilchen“, erklärt der Experimentalphysiker Esteban A. Martinez aus dem Team um Rainer Blatt. „Mit Laserpulsen simulieren wir zunächst ein elektromagnetisches Feld in einem Vakuum. Dann können wir beobachten, wie aus der Energie dieses Feldes aufgrund von Quantenfluktuationen Teilchenpaare entstehen. Ob Teilchen oder Antiteilchen erzeugt werden, weisen wir mit Hilfe der Fluoreszenz der Ionen nach. Verändern wir die Parameter des Quantensystems, können wir den dynamischen Prozess der Paarbildung mitverfolgen und studieren.“

Brücke zwischen Hochenergie- und Atomphysik

Mit dem Experiment schlagen die Innsbrucker Physiker/innen eine Brücke zwischen zwei Teilgebieten der Physik: Hier werden Probleme der Hochenergiephysik mit Methoden aus der Atomphysik studiert. Während im einen Feld Hunderte von Theoretiker/innen an den äußerst komplexen Theorien zum Standardmodell arbeiten und Experimente an großen Teilchenbeschleunigern wie am CERN durchgeführt werden, können Quantensimulationen bereits von kleinen Gruppen in Laborexperimenten umgesetzt werden.

„Diese beiden Zugänge ergänzen sich perfekt“, betont der Theoretiker Peter Zoller. „Wir können die Experimente in Teilchenbeschleunigern nicht ersetzen. Mit der Entwicklung von Quantensimulatoren lassen sich diese Experimente aber möglicherweise einmal besser verstehen.“ Experimentalphysiker Rainer Blatt ergänzt: „Darüber hinaus lassen sich in Quantensimulationen auch neue Prozesse studieren. So haben wir in unserem Experiment die bei der Paarerzeugung entstehende Verschränkung untersucht, was in einem Teilchenbeschleuniger nicht möglich wäre.“

Die Physiker/innen sind überzeugt, dass zukünftige Quantensimulatoren das Potential haben werden, wichtige Probleme der Hochenergiephysik, die mit klassischen Methoden nicht mehr behandelbar sind, zu lösen.

Perspektiven für neues Forschungsfeld

Die Idee für die Verbindung der beiden Felder wurde erst vor einigen Jahren konkretisiert und nun erstmals auch experimentell umgesetzt. „Konzeptuell unterscheidet sich dieser Ansatz wesentlich von den bisherigen Quantensimulationen von Problemen der Festkörperphysik oder der Quantenchemie. Aufgrund der theoretischen Komplexität muss die Simulation von Elementarteilchenprozessen ganz besondere Erfordernisse erfüllen. Entsprechend schwierig ist es, ein taugliches Protokoll dafür zu entwickeln“, betont Peter Zoller.

Aber auch die Experimentator/innen waren entsprechend gefordert: „Dies ist eines der komplexesten Experimente, das bisher in einem Ionenfallen-Quantencomputer durchgeführt wurde“, erzählt Rainer Blatt. „Wir lernen gerade erst, wie diese Quantensimulationen funktionieren und werden sie dann nach und nach auch auf größere Fragestellungen anwenden können.“

Finanziell gefördert wurden die Wissenschaftler/innen der Universität Innsbruck und des IQOQI der ÖAW unter anderem vom Wissenschaftsfonds FWF, der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina, der Europäischen Union und der Tiroler Industrie.