Ein ungewöhnlicher Quanteneffekt, der ein Teilchen vollständig zum Stillstand bringt, wurde von Wissenschaftlern reproduziert. Das Experiment wurde mit einem hybriden Quantencomputer durchgeführt. Forschende der Universität Oxford stellten den Aharonov-Bohm-Effekt nach, der zeigt, dass ein Teilchen von einem Magnetfeld beeinflusst werden kann, ohne es zu durchlaufen, und beobachteten dabei, dass die unsichtbare magnetische Wirkung das simulierte Teilchen vollständig stoppte. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht. In der Studie wurden Qubits, die Grundeinheiten der Quanteninformation, mit Quantenoszillatoren kombiniert, die Schwingungsbewegungen darstellen, um Materie-Feld-Wechselwirkungen zu untersuchen, deren Simulation mit klassischen Computern zunehmend schwieriger wird.
Der Effekt war 1959 von den Physikern Yakir Aharonov und David Bohm vorhergesagt worden. Ein geladenes Teilchen konnte selbst dann eine messbare Veränderung seiner Quantenphase erfahren, wenn es vollständig außerhalb der Region verlief, die den magnetischen Fluss enthielt. Die Phase selbst ist nicht direkt sichtbar. Dennoch erzeugen Phasenunterschiede messbare Effekte, und diese Vorhersage wurde später in Experimenten mit realen Elektronen bestätigt.
Diesmal lag der Fokus auf Gitter-Eichtheorien. Die Forschenden untersuchen dasselbe Phänomen in diesen Theorien, die die Wechselwirkung der Materie mit Feldern beschreiben, die mit den Grundkräften verbunden sind. Der Raum wird hier wie ein Gitter dargestellt. Die Materie befindet sich an den Punkten, die Felder hingegen an den Verbindungen zwischen diesen Punkten. Die Mathematik dieser Modelle, die für die Teilchen- und Hochenergiephysik von Bedeutung sind, stellt mit zunehmender Komplexität der Systeme selbst leistungsstarke klassische Computer vor große Herausforderungen. Die Quantensimulation hingegen beruht darauf, ein anderes Quantensystem aufzubauen, das denselben Grundregeln folgt, und dessen Verhalten direkt zu beobachten.
Das Projekt begann 2022. Hauptautor der Studie ist Dr. Sebastian Saner; er arbeitete mit Dr. Oana Bazavan und Dr. Alejandro Bermudez vom Instituto de Física Teórica in Madrid zusammen. Das Experiment verwendete zwei Komponenten. Qubits, die in den inneren Zuständen von mit elektromagnetischen Feldern festgehaltenen geladenen Atomen kodiert waren, stellten die Eichfelder dar, während Oszillatoren aus den Schwingungen derselben Ionen die Materie repräsentierten. Zwei Oszillatoren repräsentierten die Materie an zwei Orten, zwei Qubits die diese Orte verbindenden Felder und bildeten so einen einfachen Ring.
Das Team kodierte den Fluss in die Qubits. Die beiden Qubits wurden in einen verschränkten Quantenzustand versetzt, der den durch das Zentrum des Rings verlaufenden magnetischen Fluss darstellt. Der ursprüngliche Plan war ein anderer. Es war geplant, den Fluss als feste Hintergrundbedingung hinzuzufügen, doch die verwendete Hardware eignete sich nicht dafür, diesen Ansatz direkt umzusetzen. Die Kodierung des Flusses in die Qubits bot eine praktische Alternative und machte den Fluss zu einem Teil des sich entwickelnden Systems. „Der für uns aufregende Schritt war, den magnetischen Fluss in ein Eichfeld zu kodieren, das selbst dynamisch ist”, sagt Dr. Saner.
Die Simulation prüfte das Tunneln. Ohne magnetischen Fluss konnte das Teilchen frei durch den Ring tunneln. Als der Fluss hinzugefügt wurde, änderten sich die relativen Phasen der beiden möglichen Wege; die Wege löschten sich durch destruktive Interferenz gegenseitig aus, und das Tunneln wurde vollständig unterdrückt. Das Teilchen erstarrte in seinem Ausgangszustand. Damit wurde der Aharonov-Bohm-Effekt in einer Gitter-Eichtheorie mit einem dynamischen Feld nachgewiesen.
Die Ergebnisse wurden gemeinsam veröffentlicht. Ein Team der University of Maryland unter der Leitung von Professor Norbert Linke führte ebenfalls eine verwandte Studie durch, die das Yukawa-Potenzial simulierte. Die beiden Gruppen entwickelten ihre Methoden unabhängig voneinander. Sie reichten ihre Artikel jedoch koordiniert bei Nature Physics ein.
Warum das wichtig ist
Dieses Experiment zeigt anhand eines konkreten Beispiels, dass Quantencomputer auf physikalische Probleme angewendet werden können, bei denen klassische Maschinen an ihre Grenzen stoßen. Da Gitter-Eichtheorien, die grundlegenden Modelle der Teilchen- und Hochenergiephysik, mit zunehmender Komplexität des Systems selbst die leistungsstärksten klassischen Computer überfordern, bietet der Hybridsimulator einen alternativen Weg aus diesem Engpass. Dass das Design, das Qubits und Oszillatoren in derselben Hardware vereint, zudem aus einer ungeplanten Hardware-Einschränkung hervorgegangen ist, deutet darauf hin, dass sich mit begrenzten Ressourcen komplexere Systeme darstellen lassen. Dass zwei unabhängige Teams ihre mit unterschiedlichen Methoden entwickelten Studien zeitgleich in derselben Fachzeitschrift veröffentlicht haben, stützt den Befund, dass das Ergebnis nicht auf ein einzelnes Labor beschränkt ist. Die offen gebliebene Frage ist, ob dieser Ansatz auf größer angelegte und realistischere physikalische Systeme übertragen werden kann.