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Hybrider Quantencomputer zeigt fundamentalen Quanteneffekt in neuem System
Ein Teilchen kann durch ein Magnetfeld beeinflusst werden, ohne dieses jemals zu durchqueren. Forscher haben diesen Aharonov-Bohm-Effekt nun in einer Quantensimulation mit gefangenen Ionen beobachtet. Abhängig vom simulierten magnetischen Fluss wanderte eine Materieanregung zwischen zwei Positionen oder blieb nahezu an ihrem Ausgangsort. Das Verfahren könnte komplexere Modelle fundamentaler Wechselwirkungen ermöglichen.
Oxford (England). In der Quantenphysik kommt es nicht nur darauf an, welchen Kräften ein Teilchen auf seinem Weg unmittelbar ausgesetzt ist. Auch ein eingeschlossener magnetischer Fluss kann seine quantenmechanische Phase verändern und so das Ergebnis der Überlagerung verschiedener Wege bestimmen. Dieser nach Yakir Aharonov und David Bohm benannte Effekt wurde bereits an echten Elektronen nachgewiesen.
Er ist besonders interessant für sogenannte Gittereichtheorien, in denen Materie auf den Punkten eines gedachten Gitters sitzt und wechselwirkende Felder die Verbindungen zwischen den Punkten besetzen. Solche Modelle helfen, grundlegende Kräfte und Teilchenbewegungen zu beschreiben. Ihre zeitliche Entwicklung kann bei vielen gekoppelten Bestandteilen für herkömmliche Computer kaum noch berechenbar sein.
Forscher der University of Oxford um Dr. Sebastian Saner haben den Aharonov-Bohm-Effekt deshalb in einem kleinen Quantensimulator mit dynamischen Eichfeldern nachgebildet. Anders als bei einem fest vorgegebenen magnetischen Hintergrund verändert sich das Feld dabei als Teil desselben Quantensystems wie die simulierte Materie.
Die Grundlage bilden zwei elektrisch geladene und in einer Falle festgehaltene Ionen. Deren innere Quantenzustände dienen als Qubits, die zwei Verbindungsfelder darstellen. Die gemeinsamen Schwingungen der Ionen fungieren dagegen als Quantenoszillatoren und repräsentieren Materie an zwei Gitterpositionen. Dadurch ließ sich ein geschlossener Weg mit zwei möglichen Verbindungen zwischen diesen Positionen aufbauen.
Zunächst testete das Team an einem einzelnen Verbindungsstück, ob die simulierten Materieanregungen und das Feld gemäß dem gaußschen Gesetz gemeinsam reagieren. Beim Ortswechsel der Anregung änderte sich auch der zugehörige Feldzustand. Erhöhten die Forscher im Modell die Energie des elektrischen Feldes, wurde der Transport der Anregung zunehmend unterdrückt.
Für das entscheidende Experiment versetzte das Team die zwei Feld-Qubits in einen verschränkten Zustand. Je nach Vorbereitung entsprach dieser einer Schleife ohne magnetischen Fluss oder einer mit einer simulierten Flussphase von π. Im ersten Fall konnte die Materieanregung zwischen den beiden Positionen hin und her wandern. Im zweiten Fall löschten sich die beiden möglichen Wege durch destruktive Interferenz gegenseitig aus.
Die Messungen zeigten, dass die Bewegung bei dieser Flusskonfiguration weitgehend ausblieb und die Besetzungen der beiden Positionen nahezu konstant blieben. Entscheidend ist, dass der Fluss nicht von außen als unveränderliches Feld vorgegeben wurde. Sein Zustand war in den Qubits kodiert und gehörte zur gemeinsamen Quantendynamik von Materie und Feld.
„Für uns war der spannende Schritt, den magnetischen Fluss in einem Eichfeld zu kodieren, das selbst dynamisch war“, erklärt Dr. Sebastian Saner.
Der Versuchsaufbau war auf zwei Ionen und zwei simulierte Materiepositionen begrenzt. Er belegt daher noch nicht, dass der Quantencomputer bereits ein für klassische Rechner unlösbares Rechenproblem bewältigt. Zudem beeinträchtigten die Erwärmung der Schwingungsmoden und das Nachlassen der Quantenkohärenz die Messungen, sodass sich die idealisierte vollständige Unterdrückung im Experiment nur näherungsweise zeigt.