Wenn die Stringtheorie die Quantensimulation inspiriert

Theoretische Physiker führen routinemäßig fiktive Teilchen und Felder in ihre Berechnungen ein, um eine Theorie zu vervollständigen oder einfach eleganter zu gestalten. Ein markantes Beispiel betrifft den von Dirac 1931 vorgestellten magnetischen Monopol: eine punktförmige Magnetfeldquelle, die im klassischen Elektromagnetismus fehlt. Während der Dirac-Monopol nie in der Natur beobachtet wurde, erscheint er künstlich in verschiedenen physikalischen Umgebungen, insbesondere im festen Zustand.

Im Jahr 2018 schlugen Giandomenico Palumbo und Nathan Goldman (Naturwissenschaftliche Fakultät, ULB) ein experimentelles Schema vor, mit dem exotische „Tensor“-Monopole, die ursprünglich in der Stringtheorie eingeführt wurden, im Labor erzeugt und beobachtet werden können. Diese Tensormonopole sind punktförmige Quellen verallgemeinerter Magnetfelder (bekannt als Kalb-Ramond-Felder), die in einem vierdimensionalen Raum leben, und sie erscheinen natürlich im mathematischen Rahmen der Stringtheorie. Das zentrale Ergebnis von Palumbo-Goldman, veröffentlicht in der Briefe zur körperlichen Überprüfung im Jahr 2018 ist, dass Tensormonopole künstlich erzeugt werden können, indem ein einfaches Quantensystem manipuliert wird, beispielsweise ein durch Laser gekoppeltes Atom mit drei Ebenen.

In einer neuen Veröffentlichung in Wissenschaftbeschreibt das Team von Paola Cappellaro (MIT) die experimentelle Umsetzung des Palumbo-Goldman-Modells sowie die Beobachtung und Charakterisierung des zugehörigen Tensormonopols. In diesem Experiment manipuliert das Team ein künstliches Atom, das durch einen Defekt im Diamanten (ein Stickstoff-Leerstellenzentrum oder NV-Zentrum) entsteht. Unter Verwendung dieses hochgradig kontrollierbaren Quantenaufbaus stellten die Experimentatoren den synthetischen Monopol her, maßen das ausgehende Kalb-Ramond-Feld und bestimmten die quantisierte Ladung des Monopols (eine durch die Topologie festgelegte ganze Zahl).

Diese Arbeit zeigt, wie ein Quantensimulator genutzt werden kann, um abstrakte und komplexe physikalische Strukturen zu untersuchen, die ursprünglich im Kontext der mathematischen Physik eingeführt wurden.