Oxford-Physiker reproduzieren Aharonov-Bohm-Effekt mit Hybrid-Quantencomputer, belegen Teilchenstillstand ohne Magnetfeldkontakt

Quantenteilchen können sich durch einen als Tunneln bezeichneten Prozess zwischen zwei Orten bewegen. Was aber geschieht, wenn ein Teilchen plötzlich aufhört, sich zu bewegen, wegen eines Magnetfelds, mit dem es nie direkt wechselgewirkt hat? Physiker der Universität Oxford haben dieses gegenintuitive Verhalten mit einem Hybrid-Quantencomputer reproduziert und den in der Simulation eines Quantensystems auftretenden Aharonov-Bohm-Effekt demonstriert. Der Aharonov-Bohm-Effekt tritt auf, wenn ein Teilchen einen magnetischen Fluss enthaltenden Bereich umrundet und dabei eine Veränderung seiner Quantenphase erfährt, obwohl es das Magnetfeld nie durchquert hat.

Im Oxford-Experiment bewirkte dieser Effekt, dass die möglichen Pfade des Teilchens sich gegenseitig aufhoben und das Tunneln zwischen den beiden Orten vollständig unterdrückten. Diese Erkenntnisse könnten Wissenschaftlern helfen, grundlegende Wechselwirkungen zu simulieren, die mit klassischen Computern zunehmend schwer zu modellieren sind.

Experimentelle Methode der Universität Oxford

Aufbau eines Quantenloops aus gefangenen Ionen. In der Alltagsphysik reagieren geladene Teilchen auf die elektrischen und magnetischen Felder, denen sie begegnen. Die Quantenmechanik jedoch erlaubt subtilere Phänomene. Ein Teilchen, das einen magnetischen Fluss enthaltenden Bereich umrundet, kann eine messbare Phasenveränderung erfahren, obwohl es nie in den Bereich eindringt, in dem das Magnetfeld liegt. Die Physiker Yakir Aharonov und David Bohm sagten diesen Effekt 1959 voraus, und Experimente mit echten Elektronen bestätigten ihn anschließend. Die Oxford-Forscher untersuchen nun das gleiche Phänomen in der Gitter-Eichtheorie, einem mathematischen Rahmen zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Materie und Feldern in der Teilchenphysik.

In diesen Theorien besetzt Materie Punkte auf einem Gitter, während Eichfelder diese Punkte verbinden. Je größer diese Systeme werden, desto schwieriger wird es, ihr Verhalten mit klassischen Computern zu berechnen. Quantenmodelle bieten eine Alternative: Forscher bauen ein physikalisches System auf, das den zugrundeliegenden Regeln des Modells folgt, das sie untersuchen wollen, und beobachten dann dessen Verhalten.

Seit 2022 führten die Studienautoren ein Experiment durch, um die Gitter-Eichtheorie zu simulieren, einen Rahmen zur Untersuchung, wie Materie mit Eichfeldern wechselwirkt. Ihr Hybridsystem kombinierte Komponenten mit zwei unterschiedlichen Rollen. In den internen elektronischen Zuständen gefangener Ionen kodierte Qubits stellten das Eichfeld dar. Quantenoszillatoren, die den Ionenbewegungen entsprachen, repräsentierten die Materie. Die Forscher koppelten zwei Oszillatoren mittels zweier Qubits, die das Feld zwischen ihnen darstellten – dies entsprach Materie an zwei Orten. Gemeinsam bildeten diese Komponenten einen Loop, einen fundamentalen Baustein der Theorie.

Das Team nutzte digitale Operationen zur Vorbereitung und Messung des Systems, während die analoge Quantenentwicklung die Simulation der Wechselwirkungen ermöglichte.

Dynamische Kodierung des magnetischen Flusses

Der magnetische Fluss, der die Teilchenbewegung aufhebt. Die Forscher bereiteten die beiden Qubits in einem verschränkten Zustand vor, in dem ihre Quanteneigenschaften auf eine Weise miteinander verknüpft sind, die kein klassisches Äquivalent hat. In der Simulation repräsentierte dieser Zustand den magnetischen Fluss durch den Loop. Die Kodierung des Flusses auf diese Weise war zunächst ein praktischer Workaround. Die Hardware konnte nicht die nötige Wechselwirkung bereitstellen, um den Fluss als festen Hintergrund einzuführen. Doch dieser Ansatz ermöglichte den Forschern auch, etwas Interessanteres zu erforschen: ein Eichfeld, das sich gemeinsam mit der Materie entwickelt, mit der es wechselwirkt. „Für uns war der aufregende Schritt, den Fluss in einem Eichfeld zu kodieren, das selbst dynamisch ist.

Materie entwickelt sich nicht mehr in einem festen Hintergrund, sondern Materie und Eichfeld werden Teil derselben Quantendynamik“, sagt Sebastian Saner, Erstautor der Studie und Postdoktorand an der Universität Oxford.

Anschließend beobachteten die Forscher, wie ein Materieteilchen zwischen den beiden Orten des Loops tunnelte. Ohne magnetischen Fluss konnte das Teilchen frei tunneln. Als die Forscher den Fluss einführten, kam es zu destruktiver Interferenz der beiden möglichen Pfade, was den Tunnelvorgang aufhob und das System in seinen Ausgangszustand zurückversetzte. „Hier beobachten wir die Aharonov-Bohm-Interferenz, vermittelt durch das den Fluss kodierende dynamische Eichfeld, und demonstrieren damit die Wechselwirkung zwischen Ladung und Fluss.“

Zukünftige Anwendungen der Quantensimulation

Ausweitung der Quantensimulation auf fundamentale Wechselwirkungen. Dieses Experiment bietet einen Weg, zu untersuchen, wie Materie und Magnetfelder in Quantensystemen wechselwirken. Mit weiterer Entwicklung könnten ähnliche Simulationen Forschern helfen, komplexere Wechselwirkungen zu erforschen, die für klassische Computer schwer zu modellieren sind. In einer verwandten Studie nutzte ein Team unter Leitung von Professor Norbert Linke von der University of Maryland ein Hybrid-Quantensystem zur Simulation des Yukawa-Potenzials, das für Kern- und Teilchenphysik relevant ist. Gemeinsam zeigen diese Arbeiten, wie Hybrid-Quantenarchitekturen Wissenschaftlern helfen können, die fundamentalen Kräfte und Wechselwirkungen zu erforschen, die die physikalische Welt formen.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Kategorie	Spezifikation
Forschungseinrichtung	Universität Oxford
Quantensystem-Typ	Hybrid-Quantencomputer
Vorhergesagter Effekt	Aharonov-Bohm-Effekt

Potenzial und Herausforderungen des Hybrid-Quantencomputings

Diese Forschung demonstriert das Potenzial von Hybrid-Quantencomputern bei der Erforschung fundamentaler Wechselwirkungen der Quantenphysik. Die Reproduktion des Aharonov-Bohm-Effekts bestätigt nicht nur die Vorhersagen der Quantentheorie, sondern bietet Wissenschaftlern auch eine neue Methode zur Simulation komplexer physikalischer Systeme. Mit dem Fortschritt der Quantencomputertechnologie werden solche Experimente helfen, Probleme zu lösen, die klassische Computer nicht effizient bewältigen können, und die Physik und verwandte Gebiete vorantreiben. Die Ergebnisse sind nicht nur für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung, sondern könnten auch weitreichende Auswirkungen auf zukünftige technologische Anwendungen haben.