02.06.2021

Gedächtnis für die Quantenumgebung

Entwicklung von Quantensystemen zeigt unterschiedliche Gesetzmäßigkeiten.

Quantenbauelemente reagieren extrem empfindlich auf ihre Umgebung, so kann diese die Reaktion auf einen Steuerungs­impuls zeitlich verzögern. Die Entwicklung von Anwendungen ist aufgrund der Schwierigkeiten bei der Modellierung der Quantenbauelemente immer noch eine Herausforderung. Ein Team der RWTH Aachen, des Forschungs­zentrums Jülich und des JARA-FIT Instituts für Quanten­information hat jetzt gezeigt, wie diese verzögerten Reaktionen einfacher modelliert werden können. Beteiligt waren hieran Konstantin Nestmann und Valentin Bruch von der Theorie der kondensierten Materie der RWTH Aachen und Maarten Wegewijs vom RWTH-Lehrstuhl für Theorie der statistischen Physik A und Institute for Theoretical Nanoelectronics des Forschungs­zentrums Jülich. 
 

Abb.: Quantensysteme werden durch Kontakt mit der Umwelt beeinflusst. (Bild: K....
Abb.: Quantensysteme werden durch Kontakt mit der Umwelt beeinflusst. (Bild: K. Nestmann et al., RWTH)

In üblichen elektrischen Schaltkreisen treten dämpfende Widerstands­effekte auf. Komplizierter wird es, wenn die Dämpfung zeitverzögert erfolgt und das System ein „Gedächtnis“ seines vergangenen Verhaltens behält. Im Gegensatz dazu entwickeln sich Quantensysteme gemäß der Schrödinger-Gleichung, die keinerlei Dämpfung oder Gedächtnis vorsieht. Da reale Systeme aber Dämpfung und Gedächtnis aufweisen, wurde großer Forschungs­aufwand betrieben, um zu verstehen, wie diese Effekte aus Schrödingers Quantengesetz hervorgehen. 

Es stellte sich heraus, dass Dämpfung entsteht, wenn man die Umgebung berücksichtigt. Überraschender­weise gibt es dann zwei grundlegende, völlig unterschiedliche Gesetze, die ein Quanten­system beschrieben: Das eine Gesetz beinhaltet ein Gedächtnis, während das andere Gesetz – scheinbar – überhaupt kein Gedächtnis vorsieht. Beide führen aber zu der gleichen, korrekten Beschreibung des Quantensystems. Die Aachener und Jülicher Wissenschaftler haben nun den überraschend einfachen Zusammenhang zwischen diesen beiden Gesetzen gefunden. Dies führt zu einem besseren Verständnis davon, wie ein Quantensystem ein Gedächtnis seiner Umgebung bewahrt.

Die Übersetzung zwischen den beiden Gesetzen ist auch praktisch wichtig, da diese jeweils unterschiedliche Fragen beantworten können. Das Gesetz ohne Gedächtnis erklärt spontane Sprünge eines Quanten­systems, die beispielsweise bei der Entwicklung von Quanten­computern berück­sichtigt werden müssen. Das Gesetz mit Gedächtnis ermöglicht genauere Berechnungen, wenn der Einfluss der Umgebung besonders stark ist. Keines der beiden Gesetze beantwortet alle Fragen, erst der Wechsel zwischen beiden Gesetzen ermöglicht eine vollständigere Analyse von Quantensystemen.

RWTH / DE
 

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