Im Quantensimulator

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Quantensimulatoren sind ein ideales Werkzeug, um Quanten-Vielteilchensysteme unter kontrollierten Laborbedingungen zu untersuchen. Ein besonders aussichtsreiches Anwendungsgebiet liegt künftig in Simulationen von Phänomenen aus dem Bereich der Teilchenphysik. In diesem Kontext stellt die Implementierung von Gittereichtheorien – Theorien, die unter anderem das Fundament des Standardmodells der Teilchenphysik bilden und unser Verständnis von sowohl nuklearen als auch elektromagnetischen Kräften erweitern – ein wesentliches Ziel dar. Die experimentelle Implementierung von Eichtheorien mithilfe von Quantencomputern und -simulatoren hat das Potenzial, wichtige Aspekte grundlegender physikalischer Phänomene zu erhellen, insbesondere in Bereichen, die mit herkömmlichen numerischen Methoden unzugänglich sind.

Ein internationales Forschungsteam aus Deutschland, Italien, der Schweiz und den USA um die LMU-Physikprofessorin Monika Aidelsburger hat mittels eines neuen Ansatzes eine innovative Methode zur Quantensimulation von sogenannten U(1)-Gittereichtheorien entwickelt, die an Materie gekoppelt sind. Diese Arbeit markiert einen bedeutenden ersten Schritt zur Realisierung komplexer Gittereichtheorien, um Phänomene in der Hochenergiephysik zu erforschen. Dabei nutzen die Forscher die spezifischen Eigenschaften von Erdalkali-ähnlichen Atomen, um sowohl Eichfelder als auch fermionische Materie in zustandsabhängigen optischen Gittern in ein- und zweidimensionalen Systemen zu realisieren. Durch sorgfältige ab initio-Modellierung der experimentell realisierbaren Gitterpotentiale konnten die Autoren die Ziel-U(1)-Gittereichtheorie systematisch ableiten. Mit dieser Methode konnten die Forscher bedeutende konzeptionelle und praktische Herausforderungen meistern, um eichinvariante Dynamik zu erreichen. Darüber hinaus gelang es dem Team, realistische Parameterbereiche für eine experimentelle Implementierung mit fermionischen ¹⁷³Yb-Atomen zu identifizieren.

Der zuvor beschriebene theoretische Ansatz identifiziert nicht nur bisher unbekannte konzeptionelle und praktische Herausforderungen, sondern bewältigt diese auch effektiv. Damit eröffnet er neue Wege für die Nutzung von Quantensimulatoren in der Erforschung von Gittereichtheorien, mit Anwendungen, die von der Untersuchung von Theorien, die für stark korrelierte Elektronen in kondensierter Materie relevant sind, bis hin zur Echtzeitdynamik von Materie, die auf nicht-störungsfreie Weise mit Photonen interagiert, reichen.

Federica Maria Surace, Pierre Fromholz, Nelson Darkwah Oppong, Marcello Dalmonte, and Monika Aidelsburger: Ab Initio Derivation of Lattice-Gauge-Theory Dynamics for Cold Gases in Optical Lattices. ORX Quantum, 2023