Perfekt adiabatische Kontrolle von Quantensystemen

Die kontrollierte Steuerung von Quantensystemen spielt eine wichtige Rolle in vielen technischen Anwendungen, von Kernspintomographen bis hin zur Quanteninformationstechnologie. Eine Möglichkeit, ein Quantensystem präzise und robust gegenüber Störungen zu steuern, ist der adiabatische Transfer. Das Quantensystem – zum Beispiel der Kernspin eines Atoms – wird so manipuliert, dass es während des gesamten Prozesses sehr nah am augenblicklich energetisch niedrigsten Grundzustand verharrt. Perfekte Adiabasie allerdings, bei der das System exakt dem Grundzustand folgt, sollte prinzipiell nur für unendlich langsame Prozesse möglich sein.

Vor einigen Jahren aber haben Stuart A. Rice und Michael Berry theoretisch gezeigt, dass perfekte Adiabasie auch für eine endlich schnelle Quantensteuerung gelingen kann. Forscher des Istituto Nazionale di Ottica haben, gemeinsam mit Kollegen der Universität Pisa und der Scuola Normale Superiore, diese „superadiabatische“ Quantenkontrolle nun im Experiment verwirklicht.

Dazu benutzten sie Bose-Einstein-Kondensate in optischen Gittern und manipulierten deren Quantenzustände mit Hilfe von Laserpulsen. Bei richtiger Wahl des zeitliche Verlaufs der Frequenzen und Intensitäten der Laser, blieben die Kondensate tatsächlich während des gesamten Prozesses exakt im niedrigsten Energiezustand – selbst dann noch, wenn die Parameter für die Steuerung (wie etwa die Gesamtdauer des Prozesses oder die maximale Laserintensität) bewusst um bis zu 50 Prozent falsch eingestellt wurde. Perfekt adiabatische und robuste Quantenkontrolle ist daher zumindest in diesem einfachen Laborsystem möglich, sollte aber auch in anderen Systemen wie beispielsweise Qubits in Quantencomputern verwirklicht werden können.

Oliver Morsch / PH