01.06.2021

Robust gegen Dekohärenz

Gekoppeltes atomares Spinsystem erhält Quantenkohärenz bei plötzlichem Stromstoß.

Quantensysteme gelten als äußerst fragil. Schon kleinste Wechselwirkungen mit der Umgebung können zur Folge haben, dass die empfindlichen Quanteneffekte verloren gehen. Nun beschreiben Forscher der TU Delft, der RWTH Aachen und des Forschungs­zentrums Jülich einen Versuch, in dem sich ein Quanten­system aus zwei gekoppelten Atomen unter Elektronen­beschuss erstaunlich stabil verhält. Das Experiment könnte einen Hinweis darauf liefern, dass sich auch die Quanten­zustände in einem Quanten­computer in bestimmten Fällen einfacher realisieren lassen als bislang gedacht. 
 

Abb.: Markus Ternes vom Forschungs­zentrum Jülich (Bild: R.-U. Limbach / FZJ)
Abb.: Markus Ternes vom Forschungs­zentrum Jülich (Bild: R.-U. Limbach / FZJ)

Die Dekohärenz gilt als größter Feind des Quanten­physikers. Dieser Zerfall von Quanten­zuständen tritt unweigerlich ein, wenn das System mit seiner Umgebung in Wechselwirkung tritt. In der makroskopischen Welt ist dieser Austausch unvermeidbar, weshalb Quanten­effekte im täglichen Leben selten eine Rolle spielen. Die in der Forschung verwendeten Quantensysteme wie einzelne Atome, Elektronen oder Photonen lassen sich besser abschirmen, sind aber grundsätzlich ähnlich empfindlich.

„Systeme, die der Quantenphysik unterliegen, sind anders als klassische Objekte nicht in all ihren Eigenschaften scharf definiert. Stattdessen können sie mehrere Zustände gleich­zeitig besetzen. Man spricht hier von Überlagerung“, erklärt Markus Ternes. „Ein berühmtes Beispiel ist Schrödingers Gedanken­experiment mit der Katze, die zeitweilig zugleich tot und lebendig ist. Die Überlagerung bricht jedoch zusammen, sobald das System gestört oder gemessen wird. Übrig bleibt dann nur noch ein einziger Zustand, der Messwert“, so der Quantenphysiker vom Forschungs­zentrum Jülich und der RWTH Aachen.

Umso erstaunlicher wirkt vor diesem Hintergrund das Experiment, das Forscher nun an der TU Delft durchgeführt haben. Mithilfe einer neuen Methode gelang es ihnen erstmals, in Echtzeit zu beobachten, wie zwei miteinander gekoppelte Atome frei zwischen verschiedenen angeregten Zuständen flipflopartig hin und her wechseln.

„Jedes Atom trägt ein kleines magnetisches Moment, den Spin. Diese Spins beeinflussen sich gegenseitig, so wie es Kompassnadeln tun, wenn man sie in die Nähe bringt. Wenn man einem von ihnen einen Schubs gibt, fangen sie an, sich auf eine ganz bestimmte Weise zu bewegen", erklärt Sander Otte, Leiter des Delfter Forschungsteams. Aus dieser Art des Informations­austauschs zwischen Atomen gehen Quanten­effekte hervor, auf denen verschiedene Formen von Quanten­technologien basieren. Ein bekanntes Beispiel ist die Supraleitung: der Effekt, bei dem einige Materialien unterhalb einer kritischen Temperatur ihren elektrischen Widerstand vollständig verlieren.

Otte und sein Team wählten einen sehr direkten Weg, um die Interaktion zwischen den Atomen zu beobachten. Mit einem Raster­tunnel­mikroskop platzierten sie zwei Titanatome in einem Abstand von etwas mehr als einem Nanometer neben­einander. In diesem Abstand sind die Atome gerade noch in der Lage, den Spin des jeweils anderen zu spüren. Würde man nun einen der beiden Spins verdrehen, würde der Austausch zwischen den Atomen von selbst beginnen.

Normalerweise wird dieses Umklappen mittels präziser Spin-Resonanz-Funksignale durchgeführt, die man an die Atome sendet. Unter anderem Quantenbits in bestimmten Quantencomputern werden so programmiert. Das Verfahren hat jedoch einen Nachteil. „Es ist einfach zu langsam“, sagt der Delfter Doktorand Lukas Veldman. „Kaum hat man angefangen, den einen Spin zu drehen, rotiert der andere schon mit. Auf diese Weise kann man nie untersuchen, was passiert, wenn man die beiden Spins in entgegen­gesetzte Richtungen bringt.“

Also griffen die Forscher zu einem unkonventionellen Ansatz: Sie kehrten den Spin eines der beiden Atome mit einem plötzlichen Stromstoß schlagartig um. Zur Überraschung der Forscher folgte auf diesen drastischen Ansatz eine Quanten­wechselwirkung, wie sie im Lehrbuch steht. Denn während des Pulses stoßen Elektronen mit dem Atom zusammen und bringen dessen Spin zum Rotieren. Otte: „Wir sind immer davon ausgegangen, dass bei diesem Vorgang die empfindliche Quanten­information – die Kohärenz – verloren geht. Denn die Elektronen, die man aussendet, sind inkohärent: Jedes Elektron hatte vor der Kollision eine etwas andere Geschichte, und dieses Chaos überträgt sich auf den Spin des Atoms und zerstört jede Kohärenz.“

Dass dies nun nicht der Fall zu sein scheint, sorgte für einige Diskussionen. Offenbar kann jedes Elektron Überlagerungs­zustände erzeugen, wie sie die Grundlage für fast jede Form der Quanten­technologie bilden. Dass diese Elektronen über ihre Historie noch mit ihrer Umgebung in Verbindung stehen, spielt offenkundig keine Rolle. Es geht hier also um die Verletzung eines Grundsatzes der Quanten­physik, demzufolge jede Messung die Überlagerung von Quanten­zuständen unwiederbringlich zerstört.

„Die Krux ist, dass es auf Perspektive ankommt“, argumentiert Markus Ternes. „Das Elektron kehrt den Spin eines Atoms um, sodass es zum Beispiel nach links zeigt. Man könnte dies als eine Messung betrachten, die das gesamte Quanten­gedächtnis löscht. Aber aus der Sicht des kombinierten Systems aus beiden Atomen ist die resultierende Situation gar nicht so banal. Für die beiden Atome zusammen stellt der neue Zustand eine perfekte Überlagerung dar, die den Austausch von Informationen zwischen ihnen ermöglicht. Entscheidend dafür ist, dass beide Spins verschränkt werden.“

Die Entdeckung könnte sich als folgenreich für die Entwicklung und Erforschung von Quanten­computern erweisen, deren Funktion auf der Verschränkung und Überlagerung von Quanten­zuständen beruht. Folgt man den gewonnenen Erkenntnissen, so muss man bei der Erzeugung dieser Quantenzustände vielleicht etwas weniger vorsichtig sein als bislang gedacht. Für Otte und sein Team an der TU Delft ist das Ergebnis aber vor allem der Ausgangs­punkt für weitere spannende Experimente. Veldman: „Hier haben wir zwei Atome verwendet, aber was passiert, wenn man drei verwendet? Oder zehn, oder tausend? Das kann niemand vorhersagen, da die Rechen­leistung für die Simulation solcher Zahlen nicht ausreicht.“ 

FZJ / DE

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