Jeff Steinhauer fertigt in seinem Labor in Israel mikroskopisch kleine Schwarze Löcher. Diese Objekte sind nur bescheidene Flecken, denen die spaghettifizierende Saugkraft eines echten toten Sterns fehlt. Aber Steinhauer, Physiker an der Forschungsuniversität Technion, versichert mir, dass er sie mathematisch maßstabsgetreu konstruiert hat. Wenn Sie weit genug hinein zoomen, sehen Sie einen Miniatur-Ereignishorizont, der das Drama eines echten Schwarzen Lochs wiedergibt.
Jeder dieser winzigen Blobs besteht aus 8.000 Rubidiumatomen, die Steinhauer auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt und dann mit einem Laser herumgeschwenkt hat. Zusammengenommen wiegen die Atome etwa ein Tausendstel eines einzelnen Bakteriums.
In einem echten Schwarzen Loch ist die Schwerkraft so stark, dass beim Überschreiten des Ereignishorizonts nicht einmal Licht entweichen kann. Steinhauers Nachbildung, technisch Bose-Einstein-Kondensat genannt, hat die gleiche Eigenschaft, nur für Schallwellen. Nach einer Grenze im Blob können keine Schallschwingungen mehr entweichen.
Diese Arbeit ist ein Beispiel für eine neue Art von wissenschaftlichem Experiment, den sogenannten Quantensimulator. Quantensimulatoren sind kleine Nachbildungen komplizierter natürlicher Phänomene, deren Verhalten den Regeln der Quantenmechanik entspricht. Es ist das Quantenäquivalent zum Bau eines Modellflugzeugs, um vorherzusagen, wie ein echter Jet fliegen würde, sagt der Physiker Ignacio Cirac vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik.
Steinhauer erfuhr zum Beispiel aus seiner Quantenreplik, dass sie Schallwellen aussendet, die den Lichtwellen entsprechen, die echte Schwarze Löcher erzeugen sollen, die als Hawking-Strahlung bekannt sind. Da echte Schwarze Löcher so schwer zu untersuchen sind und die Hawking-Strahlung so schwach ist, hatten Forscher die Strahlung im Weltraum noch nie beobachtet. Die Schallwellen in Steinhauers Simulation stützten diese Idee.
In einem weiteren Experiment mit kalten Atomblobs simulierten Physiker an der Universität von Chicago eine andere extreme Umgebung - wie es für eine Person wäre, auf Milliarden von g zu beschleunigen. Die Theorie sagt voraus, dass eine Person, die so schnell beschleunigt, in der Lage sein sollte, Objekte zu sehen, die Licht aussenden, sogenannte Unruh-Strahlung.
Es ist unmöglich, eine Person im Labor so stark zu beschleunigen. Zum einen stießen sie fast augenblicklich gegen die Wände. Also haben die Forscher die Laufbandversion des Szenarios entwickelt - alles bleibt an Ort und Stelle, aber sie stellen die Illusion her, dass das Labor an ihrem Atom-Blob vorbei beschleunigt. "Es ist, als würden wir uns in einen Flugsimulator setzen", sagt der Physiker Cheng Chin von der University of Chicago. "Du denkst, du fährst einen Jet, aber du bist wirklich nur im Labor."
Um dieses Gefühl zu erzeugen, formen sie den Blob mithilfe von Lasern und Magnetfeldern in die sich entwickelnde Form, die die Theorie voraussagt, wenn ein Beobachter vorbeizieht. Während dieses Vorgangs beobachten sie mit einer speziellen Kamera, wie die Atomblobs Partikel ausstoßen, die dem vorhergesagten Verhalten der Unruh-Strahlung ähneln.
Andere Quantensimulatoren zielen auf praktischere Anwendungen ab. Beispielsweise greifen Forscher, die neue Materialien und Arzneimittel erfinden möchten, häufig als ersten Schritt auf Computersimulationen potenzieller Moleküle zurück. Diese Simulationen benötigen jedoch viel Rechenleistung und sind nicht sehr genau. Forscher wie Cirac haben Quantensimulator-Experimente vorgeschlagen, um genauer zu beobachten, wie verschiedene Geometrien zu bestimmten chemischen Eigenschaften führen könnten.
Diese Quantensimulatoren basieren auf den gleichen Techniken und der gleichen Hardware wie Quantencomputer, sind jedoch für enge Anwendungen maßgeschneidert. Sie alle verdanken eine theoretische Schuld dem Physiker Richard Feynman, der in den 1980er Jahren eine Maschine aus quantenmechanischen Teilen beschrieb, die die Realität genauer simulieren konnte als unangenehme Einsen und Nullen. "Natur ist nicht klassisch, verdammt, und wenn Sie eine Simulation der Natur machen wollen, sollten Sie sie besser quantenmechanisch machen", sagte er 1981 auf einer Konferenz. Forscher bei Google, IBM und anderen versuchen ebenfalls, eine Simulation durchzuführen Komplexe Moleküle und andere Quantenobjekte mit ihren sogenannten "universellen" Quantencomputern, aber sie wollen, dass ihre Maschinen allgemeiner einsetzbar sind, eine bessere Datenverschlüsselung liefern und Algorithmen für künstliche Intelligenz beschleunigen können. Maschinen mit dieser erweiterten Funktionalität haben sich im Vergleich zu Quantensimulatoren mit geringerer Nutzung als wesentlich schwieriger zu bauen erwiesen.
