Aus dem Gleichgewicht geratene Quantensysteme
Sämtliche Materie ändert bei Erwärmung oder Abkühlung ihren Zustand. Obgleich man am absoluten Nullpunkt der Temperatur, wo es keine Temperaturschwankungen gibt, keinerlei große Veränderungen erwarten kann, bleiben in der Natur Quantenfluktuationen erhalten. Durch Ausüben von Druck oder Anlegen eines magnetischen Felds kann diese Form der Agitation, die bei Raumtemperatur schwach ist, verstärkt werden, was eine Zustandsänderung verursacht. Wissenschaftler gehen davon aus, dass an diesem quantenkritischen Punkt der Schlüssel zu vielen mysteriösen Eigenschaften der Materie verborgen ist. Innerhalb des EU-geförderten Projekts QUANTUM QUENCH (Universality in the non-equilibrium dynamics of strongly correlated quantum systems) wollten sie einen theoretischen Rahmen entwickeln, der einfängt, was jenseits eines aus dem Gleichgewicht geratenen quantenkritischen Punkts geschieht. Schwerpunkt war ein von seiner Umgebung isoliertes System, das bei Quantenexperimenten mit kalten Atomen entstehen kann, nachdem es aus dem Gleichgewicht gebracht wurde. Die Wissenschaftler entschieden sich dafür, es unter Einsatz eines sogenannten Quanten-Quenchs aus dem Gleichgewicht zu bringen. Im Einzelnen wurde ein Parameter des Systems plötzlich verändert, und dem System wurde gestattet, sich eigenständig weiterzuentwickeln. Das Team von QUANTUM QUENCH analysierte die Verschränkungseigenschaften nach dem Quanten-Quench und wies nach, wie sie den thermodynamischen Entropien des verallgemeinerten Ensembles ähneln, das den stationären Zustand beschreibt. Konventionelle Ensembles der Thermodynamik versagen bei der Beschreibung von Quanten-Vielteilchensystemen, die nicht-triviale Erhaltungsgrößen aufweisen. Man hat verallgemeinerte Ensembles vorhergesagt, um deren Entropie zu maximieren. Im Widerspruch zu der unter den Wissenschaftlern weit verbreiteten Annahme war man anhand der Vorhersagen zum verallgemeinerten Ensemble nicht in der Lage, den stationären Zustand nach dem Quanten-Quench zu erfassen. Daher wurde eine alternative theoretische Beschreibung erarbeitet, um zu einer Übereinstimmung mit der Zeitentwicklung des Systems, wie es numerisch berechnet wird, zu gelangen. Diese Forschungslinie führte im Endeffekt zu einem neuen nichtpertubativen numerischen Verfahren, mit dem die aus dem Gleichgewicht befindliche Entwicklung von stark wechselwirkenden Systemen untersucht werden können. Die Methode ist gegenüber genauen analytischen Resultaten bewertet worden, die in der Literatur über Quanten-Quenches zur Verfügung stehen. Die Arbeit von QUANTUM QUENCH hat einen neuen Weg zu einem besseren Verständnis von geschlossenen Quanten-Vielteilchensystemen mit Implikationen für Präzisionsmessungen und Quantencomputing erschlossen.
Schlüsselbegriffe
Quanten-Vielteilchensystem, Nichtgleichgewichtsdynamik, quantenkritischer Punkt, QUANTUM QUENCH, Thermalisierung, Quantenverschränkung
