Wie Quantenbauelemente ihr Gedächtnis behalten
Quantenbauelemente reagieren bekanntermaßen extrem empfindlich auf ihre Umgebung, was die Modellierung ihres Verhaltens und die Entwicklung ihrer Anwendungen bis heute vor Herausforderungen stellt. Eine bekannte Konsequenz ist, dass ein Quantengerät nicht unbedingt sofort auf einen Steuerungsimpuls reagiert, da seine Umgebung die Reaktion verzögert. Physiker der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich unter Beteiligung des JARA-FIT Instituts für Quanteninformation haben nun gezeigt, wie diese Reaktionen einfacher modelliert werden können, als gäbe es keine Zeitverzögerung, ohne dabei einen Fehler einzuführen.
Gewöhnliche mechanische Systeme werden von äußeren Bedingungen beeinflusst. Auf ähnliche Weise konkurrieren in einem elektrischen Schaltkreis die gewünschte Spannungsschwingung mit dämpfenden Widerstandseffekten. Komplizierter wird es, wenn die Dämpfung zeitverzögert erfolgt, was ein "träges" Verhalten zur Folge hat: Das System behält ein gewisses "Gedächtnis" seines vergangenen Verhaltens.
Seit 1925 ist bekannt, dass sich Quantensysteme in der Zeit gemäß der Schrödinger-Gleichung entwickeln, einem Gesetz, das keinerlei Dämpfung oder Gedächtnis vorsieht. Da reale Systeme 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. Tatsächlich gehorcht ein Quantensystem in diesem Fall zwei grundlegenden, aber völlig unterschiedlichen Gesetzen. Das eine Gesetz beinhaltet ein Gedächtnis, während das andere Gesetz - scheinbar - überhaupt kein Gedächtnis vorsieht. Sie führen aber dennoch zu genau der gleichen, korrekten Beschreibung des Quantengeräts. Ein wissenschaftliches Team rund um die beiden Doktoranden Konstantin Nestmann und Valentin Bruch sowie Prof. Maarten Wegewijs (PGI-2 und Mitglied in JARA-FIT), haben nun den überraschend einfachen Zusammenhang zwischen diesen beiden Gesetzen gefunden. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht worden.
Weitere Informationen zu den Untersuchungen und Ergebnissen stehen auf Englisch zur Verfügung.