Frust im Quantensystem

Phasenübergänge in der Physik sind aus dem Alltag bekannt, zum Beispiel das Schmelzen: Wenn ein fester Stoff erhitzt wird, bewegen sich seine Atome freier und er wird plötz­lich flüssig. Phasen­über­gänge gibt es auch in der Quanten­physik, die aller­dings der Alltags­erfah­rung nicht zugäng­lich sind und auch die Wissen­schaftler noch vor viele Fragen stellen. Jetzt haben Sabine Ander­gassen und Dominik Maile von der Uni Tübingen gemein­sam mit Wolf­gang Belzig und Gian­luca Rastelli von der Uni Konstanz in theore­tischen Berech­nungen unter­sucht, welche Effekte und Mecha­nismen auf ein Quanten­system am Phasen­über­gang ein­wirken. Dabei sind sie auf ein merk­würdiges Ver­halten gestoßen, das durch die von Heisen­berg beschrie­bene Unschärfe­rela­tion zustande kommt – und bei der Infor­mations­ver­arbei­tung in einem Quanten­computer zu Problemen führen könnte.

Am absoluten Temperaturnullpunkt treten keine Wärmebewegungen mehr auf, nur Quanten­fluktua­tionen. Phasen­über­gänge eines Quanten­systems können hier zum Beispiel durch Druck- oder Magnet­feld­ände­rungen aus­ge­löst werden. Sie ähneln der Wärme­bewe­gung der Atome beim Schmelzen eines Stoffes. „Diese Dynamik wird stark durch die Wechsel­wirkung des Quanten­systems mit der Umge­bung beein­flusst. Das wird all­ge­mein als Dissi­pa­tion bezeichnet“, erklärt Ander­gassen. Dissi­pa­tion – wört­lich Zer­streu­ung – bedeutet, dass sich die Möglich­keiten des Systems durch Energie­ver­luste oder gerin­gere Bewegungs­frei­heit der Teil­chen ein­schränken. „Die Dissi­pa­tion sorgt dafür, dass einige Quanten­fluktua­tionen unter­drückt werden und das System einen stärker geord­neten Zustand anstrebt“, sagt die Forscherin – in der Ent­spre­chung zum Schmelzen das System also den „festen“ gegen­über dem „flüs­sigen“ Zustand bevor­zugt.

„Wie Heisenbergs Unschärferelation vorhersagt, führt das wiede­rum zu einer häufi­geren unkon­trol­lierten Ände­rung des Impulses“, sagt Belzig. Wirken nun auf die unter­suchten Quanten­objekte zwei ver­schie­dene Umge­bungs­systeme ein, die die Fluktua­tionen zweier ver­bun­dener Variablen gleich­zeitig unter­drücken wollen, verbiete sich dies durch Heisen­bergs Prinzip. „Das System kann nicht beide Anforde­rungen gleich­zeitig erfüllen, es wird sozu­sagen frustriert“, erklärt Maile. Und Rastelli ergänzt: „Beim Phasen­über­gang könnte ein uner­wartetes Ver­halten des Quanten­systems auf­treten.“ In Ent­spre­chung zum Schmelzen eines Stoffs in der klas­sischen Physik wäre das Quanten­system zwischen dem festen und flüs­sigen Zustand hin- und her­ge­rissen.

„Diese Konkurrenzsituation zwischen verschiedenen dissi­pa­tiven Mecha­nismen führt zu einem merk­würdigen Ver­halten beim Phasen­über­gang des Quanten­systems“, fasst Rastelli die Ergeb­nisse zusammen. Das stelle eine grund­legende Eigen­schaft des Quanten­systems dar – und ebne den Weg zur Unter­suchung weiterer Aspekte dieser Über­gänge im Labor. Denn diese neu ent­deckte Eigen­schaft könne auch Ein­fluss im Bereich der Ver­arbei­tung von Quanten­infor­ma­tion haben, wie zum Beispiel bei einem Quanten­computer.

EKU / RK