Oxford-Physiker simulieren Aharonov-Bohm-Effekt mit gefangenen Ionen

Doppelte Rolle für gefangene Strontium-Ionen

Standard-Eichtheorien erklären fundamentale Kräfte, indem sie verfolgen, wie Materiefelder kraftübertragende Eichfelder austauschen. In Gittermodellen wird der Raum als Raster behandelt, in dem Materie die Knotenpunkte besetzt und Eichfelder auf den verbindenden Kanten sitzen. Die Simulation dieser Modelle auf gewöhnlichen Computern wird mit wachsenden Dimensionen rechnerisch unlösbar, was die fortlaufende Innovation bei spezialisierten Quantencomputing-Plattformen vorangetrieben hat.

Für den Bau ihres Simulators setzten die Forscher der University of Oxford auf eine hybride Architektur. Zwei elektronische Energieniveaus eines Strontium-Ions dienten als Qubit, um das Eichfeld auf einer Kante darzustellen, wie Phys.org berichtet. Gleichzeitig fungierten die Schwingungsmoden der Ionen als harmonische Oszillatoren, um Materiefelder zu speichern. In diesem Rahmen steht eine einzelne Einheit von Schwingungsenergie, ein sogenanntes Phonon, für ein Materieteilchen. Erstautor Sebastian Saner bemerkte: „Der Vorteil ist, dass Materiefelder in den Schwingungsmoden viel effizienter gespeichert werden können.“

„Wir begannen 2022 mit dem Brainstorming, wie man ein hybrides Quantensystem aus gefangenen Ionen zur Simulation von Gittereichtheorien nutzen könnte.“

— Sebastian Saner, Erstautor und Forscher an der University of Oxford

Bewegungskopplung über synthetische Dimensionen

Die Geometrie des simulierten Gitters hängt nicht von der physischen Anordnung der Ionen in der Falle ab. Selbst wenn sie in einer geraden Linie ausgerichtet sind, können die Teilchen höherdimensionale Anordnungen durch laserinduzierte Kopplungen nachbilden, die als synthetische Dimensionen bezeichnet werden.

Um Teilchenbewegung zu erzeugen, richteten die Forscher Laserstrahlen so aus, dass sie zwei getrennte Kräfte auf unterschiedliche Schwingungsmoden ausübten. Jede Kraft wirkte in eine Richtung, die durch den inneren Zustand des Qubits bestimmt wurde. Immer wenn das Phonon zwischen Materieplätzen sprang, wechselte die Feldlinie auf der verbindenden Kante zwischen vorhandenen und fehlenden Zuständen. Diese Dynamik verknüpfte die Teilchenbewegung direkt mit dem zugrunde liegenden Eichfeld, wie Phys.org im Detail berichtet.

Interferenz in geschlossenen Schleifen beobachten

Frühere Quantensimulationen von Z₂-Gittereichtheorien waren meist auf eine Dimension beschränkt oder ließen Materiefelder ganz weg, um die Komplexität zu reduzieren. In einer Dimension können Kanten keine Schleifen bilden, was das Auftreten magnetischen Flusses verhindert. Indem das Oxford-Team zwei gefangene Ionen in einer quasi-zweidimensionalen Geometrie anordnete, führte es eine geschlossene, von Fluss durchsetzte Schleife ein, wodurch Fluss-Quasiteilchen entstanden, die als Visons bezeichnet werden.

Der Aufbau ermöglichte es den Forschern, den Aharonov-Bohm-Effekt zu beobachten, ein Interferenzphänomen, bei dem ein geladenes Teilchen auf elektromagnetische Potenziale reagiert, selbst in Bereichen, in denen die Felder selbst null sind. Saner sagte gegenüber Phys.org, das Konzept habe über mehrere Jahre Gestalt angenommen: „Wir begannen 2022 mit dem Brainstorming, wie man ein hybrides Quantensystem aus gefangenen Ionen zur Simulation von Gittereichtheorien nutzen könnte.“ Die daraus resultierenden Ergebnisse wurden in Nature Physics veröffentlicht.

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