Physik. Wiener Wissenschaftler realisieren eine vereinfachte Messmethode, um komplexe Quantensysteme zu durchleuchten. Sie schaffen damit neue Möglichkeiten zur Beschreibung von kalten Quantengasen.
Jedes Kind versteht, wie ein Fahrrad funktioniert. Das Rollen der Räder, die Kraftübertragung, all das folgt einfachen mechanischen Gesetzen. Wer ein Fahrrad reparieren will, kann die Farbe des Rahmens, die Temperatur des Metalls oder den Namen des Vorbesitzers dabei getrost außer Acht lassen. Zu verstehen, was genau man wissen muss, um ein System korrekt zu beschreiben, ist bei Fahrrädern keine Kunst, in manchen Bereichen der modernen Physik aber eine große Herausforderung.
Bei Quantensystemen aus vielen Teilchen ist diese Frage besonders wichtig, weil der Rechenaufwand mit der Anzahl der Teilchen extrem schnell ansteigt, im Gegensatz zur klassischen Physik (oder der Fahrradmechanik). Ein System mit mehreren hundert Teilchen hat mehr mögliche Zustände, als es Atome im Universum gibt, allein das Speichern der Informationen ist also aussichtslos, geschweige denn das Messen. Physiker der TU Wien und der Freien Uni Berlin haben nun Methoden entwickelt, wie der Zustand eines Quantengases aus vielen Teilchen ermittelt werden kann, und zwar nicht der exakte Zustand, sondern eine Näherung, die aber alle relevanten Informationen enthält. Die Forscher durchleuchten dabei quasi ein Quantengas – die Methode wird in Analogie zur Medizin als Quanten-Feld-Tomografie bezeichnet.
Aus dem Gleichgewicht bringen
„Wir haben für das Experiment ein Gas aus Rubidiumatomen verwendet“, sagt Jörg Schmiedmayer von der TU Wien. Damit hat man hier viel Erfahrung. „Dieses Gas kühlen wir sehr stark ab und bringen es in einen Zustand, in dem es sich nur in einer Raumdimension bewegen kann.“ Das Entscheidende: Damit wird das System sehr einfach und lässt sich gut theoretisch beschreiben. „Dann bringen wir das System aus dem Gleichgewicht und versuchen, den Zustand zu bestimmen.“
Der Vorteil bei diesem einfachen System ist, dass es als Modellsituation verwendbar ist: Die Forscher kennen den Zustand des Gases eigentlich sehr gut und können so das Ergebnis der „Tomografie“ mit dem wirklichen Zustand vergleichen. Genau genommen bestimmen die Forscher sogenannte Continuous Matrix-Product (CMP)-Zustände, die besonders kompakt nur die relevanten Informationen des Gases beinhalten. Wie lässt sich beurteilen, welche Informationen relevant sind? Als Kriterium dient, ob sich die Ergebnisse künftiger Experimente vorhersagen lassen. Das gelingt, wenn man die CMP-Zustände kennt. (Man weiß quasi genug, um das eingangs als Beispiel verwendete Fahrrad reparieren zu können.) Der Vorteil: CMP-Zustände sind deutlich einfacher als die konventionelle Beschreibung.
„Die Idee kam uns beim Gespräch mit Theoretikern aus Berlin. Im Prinzip ist die Methode relativ allgemein verwendbar. Wir wollen sie nun nach und nach auf immer komplexere Systeme anwenden“, so Schmiedmayer. Mit dem Modellsystem aus Rubidiumatomen ist es den Forschern schon gelungen, einen exotischen Materiezustand nachzubilden, der nicht nur eine Temperatur, sondern mehrere Temperaturen gleichzeitig hat – „Die Presse“ berichtete. Das Konzept der Tomografie mit CMP-Zuständen wurde gemeinsam in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ publiziert. (rk)
LEXIKON
Quantentomografie. Messverfahren zur genauen Bestimmung eines Quantenzustands. Während in der klassischen Physik eine einzige Messung meist ausreicht, um den Zustand eines Systems zu bestimmen, bleibt in der Quantenmechanik eine gewisse Ungenauigkeit. Diese wird durch die Heisenbergsche Unschärferelation festgelegt. Erst mit einer Reihe von Messungen gelingt es, den ursprünglichen Zustand zu rekonstruieren. Das Verfahren erinnert an Computertomografiemethoden in der Medizin, daher der Name.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 25.07.2015)