Einfach berechnen lassen sich solche Quantensysteme nur, wenn sie aus wenigen Einzelteilen bestehen. Eine Atomwolke mit Tausenden Teilchen, kann man nur näherungsweise beschreiben. Denn die Teilchen sind quantenphysikalisch miteinander verbunden und können nicht getrennt voneinander betrachtet werden.
Die Studie
"Single shot simulations of dynamic quantum many-body systems" von Kaspar Sakmann und Mark Kasevich ist am 25. Jänner 2016 in "Nature Physics" erschienen.
Kaspar Sakmann vom Atominstitut der TU hat nun mit Kollegen gezeigt, dass sich auch Effekte in Bose-Einstein-Kondensaten (BEC), wie etwa Quantenwellen, berechnen lassen, die sich nur durch die quantenphysikalische Wechselbeziehung zwischen vielen Atomen erklären lassen.
Quantenwellen entstehen, wenn die ultrakalten Atomwolken kollidieren. "An manchen Orten findet man dann viele Teilchen, gleich daneben überhaupt keine", sagt Kaspar Sakmann. "Betrachtet man die Atome des Bose-Einstein-Kondensats einzeln, dann ist dieser Effekt nicht zu erklären."
In mehrere Schritte auflösen
Um die Verteilung der Atome in einem BEC zu berechnen, kann man deshalb nicht klassisch vorgehen. Dann wäre nämlich die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen im Zentrum der Wolke vorzufinden, am größten, und nach außen hin nimmt diese Wahrscheinlichkeit stetig ab. Doch im Quantensystem ist das viel komplizierter, der Ort der Atome ist zunächst nicht festgelegt und steht erst bei der Messung fest.
In ihrer Methode teilen die Physiker das Problem in viele Schritte auf: "Wir berechnen zuerst die Wahrscheinlichkeit, mit der sich das erste Teilchen an einer bestimmten Stelle befindet. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten des zweiten Teilchens hängen dann davon ab, wo man das erste gefunden hat, der Ort des dritten Teilchens von den ersten beiden, usw.", erklärte Sakmann in einer Aussendung der TU. Für die Berechnung des letzten Teilchens müssen alle anderen Teilchen berücksichtigt werden.
So lassen sich nicht nur Quantenwellen in kollidierenden BEC berechnen, sondern auch bestimmte Verwirbelungen in den Kondensaten, wenn man diese mit einem Laser umrührt. Die Wechselbeziehungen zwischen den Teilchen könnten so korrekt berücksichtigt werden - mit einigen Modifikationen auch in anderen Quantensystemen, sind die Wissenschafter überzeugt.
science.ORF.at/APA
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