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Quanten-Ignoranten beschreiben Zustand von Vielteilchen-System

Jörg Schmiedmayer und sein Team am Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien arbeiten mit ultrakalten Atomwolken, sogenannten Bose-Einstein-Kondensaten (BEC). Mit diesem eigenen Materiezustand - neben gasförmig, fest und flüssig - können quantenphysikalische Phänomene gut untersucht werden. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) verlieren die einzelnen Atome dieser Gaswolke völlig ihre Individualität und schwingen im gleichen Takt - sie verhalten sich als gemeinsames Quanten-Objekt.

Allerdings nur im Idealfall. "In der Realität ist Temperatur in einem solchen System, also Energie und damit gibt es verschieden Anregungen", sagte Schmiedmayer gegenüber der APA. Und das macht die Beschreibung des Gesamtsystems bisher sehr aufwendig. Denn im Gegensatz zur klassischen Physik, wo nur zwei verschiedene Zustände möglich sind (0 oder 1 bzw. angeregt oder nicht angeregt) sind in der Quantenwelt unendlich viele Möglichkeiten dazwischen erlaubt. Daher ist es sehr aufwendig, den Zustand eines Quantenteilchens mathematisch zu beschreiben.

Und je mehr Teilchen betrachtet werden, umso komplizierter wird die Sache, rasch wird es sogar unmöglich. "Der Speicherbedarf, den man für die präzise Angabe eines Quantenzustands benötigt, steigt exponentiell mit der Zahl der Teilchen. Bei einem System mit einigen hundert Teilchen gibt es mehr mögliche Zustände als das Universum Atome hat, es ist daher völlig unmöglich, den Zustand exakt aufzuschreiben oder zu berechnen", so Schmiedmayer in einer Aussendung der TU Wien.

Konzentration auf relevante Quantenzustände

Auf Basis theoretischer Arbeiten von Kollegen der Freien Universität Berlin haben die Wiener Physiker aber herausgefunden, dass man den Großteil der unüberschaubar vielen Quantenzustände des Systems getrost ignorieren kann. Sie konzentrieren sich in der von ihnen entwickelten Methode auf ganz spezielle Quantenzustände (Continuous Matrix-Product States, CMP-Zustände). Diese bilden zwar nur einen verschwindend kleinen Teil aller möglichen Zustände, sie sind aber für die quantenphysikalische Beschreibung des Gesamtsystems relevant.

Aus wenigen Messergebnissen von CMP-Zuständen lässt sich auf den Gesamtzustand des Systems quasi hochrechnen, "und zwar so genau, dass wir damit das Ergebnis weiterer Messungen vorhersagen können". Die Forscher nennen dieses Verfahren "Quantenfeld-Tomographie", weil man ähnlich wie bei der Computertomographie, bei der aus verschiedenen Einzelbildern ein 3D-Modell berechnet wird, aus dem Ergebnis einzelner Messungen ein gutes Bild des Quantenzustands erhält.

Die neue Methode könnte aber auch neue Quantensimulatoren ermöglichen, also Quantensysteme, mit denen sich Quantensysteme simulieren lassen, die man mit herkömmlichen Methoden nicht direkt untersuchen kann.

Service: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms8663

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