Neues System für Quantensimulation vorgestellt

Publikation über ultrakalte Ionen und fermionische Atome in Physical Review Letters erschienen

03.09.2013

Forscher der Universitäten Mainz, Frankfurt am Main, Hamburg und Ulm haben kürzlich im Fachjournal Physical Review Letters einen Vorschlag für einen neuartigen Quantensimulator veröffentlicht. Die Publikation schlägt ein kombiniertes System von ultrakalten gefangenen Ionen in Wechselwirkung mit fermionischen Atomen vor, um Phänomene der Festkörperphysik zu simulieren. Dieses 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.

Das Thema Quantensimulation wurde bereits 1982 von Richard Feynman vorgeschlagen. Er erkannte, 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.

In der aktuellen Publikation beschreiben die Autoren, wie ein linearer Ionenkristall und ein entartetes Fermigas benutzt werden können, um die atomaren Rümpfe und die Elektronen in einem Festkörper zu simulieren. Von besonderem Interesse sind Phasenübergänge: Rudolf Peierls beschrieb schon im Jahr 1930 einen Übergang, bei dem Phononen und Elektronen koppeln und der Festkörper seine Leitfähigkeit verliert. 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.