Kwantumveldentheorieën zijn vaak moeilijk te verifiëren in experimenten. Nutsvoorzieningen, er is een nieuwe manier om ze op de proef te stellen. Wetenschappers hebben een kwantumsysteem gecreëerd dat bestaat uit duizenden ultrakoude atomen. Door ze in een magnetische val op een atoomchip te houden, deze atoomwolk kan worden gebruikt als een 'kwantumsimulator', wat nieuwe inzichten oplevert in enkele van de meest fundamentele vragen van de natuurkunde.

Wat gebeurde er direct na het ontstaan ​​van het heelal? Hoe kunnen we de structuur van kwantummaterialen begrijpen? Hoe werkt het Higgs-mechanisme? Dergelijke fundamentele vragen kunnen alleen worden beantwoord met behulp van kwantumveldentheorieën. Deze theorieën beschrijven deeltjes niet onafhankelijk van elkaar; alle deeltjes worden gezien als een collectief veld, het hele universum doordringen.

Maar deze theorieën zijn vaak moeilijk te testen in een experiment. Aan het Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) aan de TU Wien, onderzoekers hebben nu aangetoond hoe kwantumveldentheorieën op de proef kunnen worden gesteld in nieuwe soorten experimenten. Ze hebben een kwantumsysteem gecreëerd dat bestaat uit duizenden ultrakoude atomen. Door ze in een magnetische val op een atoomchip te houden, deze atoomwolk kan worden gebruikt als een "kwantumsimulator", die informatie oplevert over een verscheidenheid aan verschillende fysieke systemen en nieuwe inzichten in enkele van de meest fundamentele vragen van de natuurkunde.

Complexe kwantumsystemen - meer dan de som van hun delen

"Ultrakoude atomen openen een deur om fundamentele kwantumprocessen in het laboratorium te recreëren en te bestuderen", zegt professor Jörg Schmiedmayer (VCQ, TU Wenen). Kenmerkend voor een dergelijk systeem is dat de onderdelen ervan niet onafhankelijk kunnen worden bestudeerd.

De klassieke systemen die we uit de dagelijkse ervaring kennen, zijn heel anders:de banen van de ballen op een biljarttafel kunnen afzonderlijk worden bestudeerd - de ballen werken alleen samen als ze botsen.

"In een sterk gecorreleerd kwantumsysteem zoals het onze, gemaakt van duizenden deeltjes, de complexiteit is zo hoog dat een beschrijving in termen van de fundamentele bestanddelen wiskundig onmogelijk is", zegt Thomas Schweigler, de eerste auteur van het artikel. "In plaats daarvan, we beschrijven het systeem in termen van collectieve processen waaraan veel deeltjes deelnemen - vergelijkbaar met golven in een vloeistof, die ook weer uit talloze moleculen zijn opgebouwd." Met de nieuwe methoden kunnen deze collectieve processen nu tot in ongekend detail worden bestudeerd.

Hogere correlaties

Bij zeer nauwkeurige metingen, het blijkt dat de kans op het vinden van een individueel atoom niet op elk punt in de ruimte hetzelfde is - en er zijn intrigerende relaties tussen de verschillende kansen. "Als we een klassiek gas hebben en we meten twee deeltjes op twee verschillende locaties, dit resultaat heeft geen invloed op de kans op het vinden van een derde deeltje op een derde punt in de ruimte", zegt Jörg Schmiedmayer. "Maar in de kwantumfysica, er zijn subtiele verbanden tussen metingen op verschillende punten in de ruimte. Deze correlaties vertellen ons over de fundamentele natuurwetten die het gedrag van de atoomwolk op kwantumniveau bepalen."

"De zogenaamde correlatiefuncties, die worden gebruikt om deze relaties wiskundig te beschrijven, zijn een uiterst belangrijk hulpmiddel in de theoretische fysica om kwantumsystemen te karakteriseren", zegt professor Jürgen Berges (Instituut voor Theoretische Fysica, Universiteit van Heidelberg). Maar ook al hebben ze lange tijd een belangrijke rol gespeeld in de theoretische natuurkunde, deze correlaties waren nauwelijks in experimenten te meten. Met behulp van de nieuwe methoden die aan de TU Wien zijn ontwikkeld, daar komt nu verandering in:"We kunnen correlaties van verschillende ordes bestuderen - tot de tiende orde. Dit betekent dat we de relatie tussen gelijktijdige metingen op tien verschillende punten in de ruimte kunnen onderzoeken", Schmiedmayer legt uit. "Voor het beschrijven van het kwantumsysteem, het is erg belangrijk of deze hogere correlaties kunnen worden weergegeven door correlaties van lagere orde - in dit geval ze kunnen op een gegeven moment worden verwaarloosd - of ze bevatten nieuwe informatie."

Kwantumsimulatoren

Door zulke sterk gecorreleerde systemen te gebruiken, zoals de atoomwolk in de magnetische val, verschillende theorieën kunnen nu worden getest in een goed gecontroleerde omgeving. Dit stelt ons in staat een diep begrip te krijgen van de aard van kwantumcorrelaties. Dit is vooral belangrijk omdat kwantumcorrelaties een cruciale rol spelen in veel, schijnbaar ongerelateerde natuurkundige vragen:Voorbeelden zijn het eigenaardige gedrag van het jonge universum direct na de oerknal, maar ook voor bijzondere nieuwe materialen, zoals de zogenaamde topologische isolatoren.

Belangrijke informatie over dergelijke fysieke systemen kan worden verkregen door vergelijkbare omstandigheden in een modelsysteem na te bootsen, zoals de atoomwolken. Dit is het basisidee van kwantumsimulators:net als computersimulaties, die gegevens opleveren waaruit we iets kunnen leren over de fysieke wereld, een kwantumsimulatie kan resultaten opleveren over een ander kwantumsysteem die niet direct toegankelijk zijn in het lab.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .