Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wirkungsgrad von "Quantenmaschinen" ausgelotet

01.12.2003


Eine Dampfmaschine ist um so besser, je mehr Arbeitsleistung sie aus einer gegebenen Brennstoffmenge herausholen kann. Der maximal mögliche Wirkungsgrad jeder Maschine ist jedoch durch Naturgesetze beschränkt. Dies gilt auch für die Effizienz von "Quantenmaschinen", bei denen bestimmte Quantenzustände gezielt in andere Quantenzustände überführt werden sollen.



Bisher war aber unbekannt, wie groß der bestmögliche Wirkungsgrad von Quantenmaschinen in der Praxis sein kann. Wissenschaftler der Technischen Universität München und der Harvard University entdeckten nun fundamentale Grenzen für die Effizienz von solchen Systemen unter realistischen Bedingungen und konnten an einem Modellsystem die vorhergesagte maximal mögliche Ausbeute auch experimentell realisieren.



Die gezielte und möglichst verlustarme Steuerung von Quantenzuständen spielt bereits heute eine entscheidende Rolle bei modernen spektroskopischen Verfahren. So wird etwa bei der Kernresonanz-Spektroskopie zur Strukturbestimmung von großen Biomolekülen der Quantenzustand des Spins von Atomkernen durch Einstrahlen von Radiowellen in einem starken Magnetfeld auf andere Atome übertragen. Darüber hinaus sind Manipulationen von Quantenzuständen eine wesentliche Voraussetzung für die Realisierung von Zukunftstechnologien, wie etwa der Quanteninformations-Verarbeitung. Quantenzustände können jedoch nie ohne Verluste manipuliert werden, da sie nicht vollständig von ihrer Umgebung isolierbar sind. Dieser "Informationsverlust" an die Umgebung wird Relaxation oder Dekohärenz genannt und ist etwa vergleichbar mit Reibungsverlusten bei mechanische Maschinen.

Obwohl die Quantenmechanik bereits über 100 Jahre alt ist, war die Frage nach dem bestmöglichen Wirkungsgrad einer "Quantenmaschine" in Gegenwart von Relaxation bisher ein ungelöstes Problem. Dies ist vergleichbar mit der Zeit vor der Entdeckung der fundamentalen Grenzen für den Wirkungsgrad, mit der eine Dampfmaschine Wärme in mechanische Arbeit überführen kann. Mehr als 100 Jahre nach Erfindung der Dampfmaschine war dies ebenfalls noch eine ungeklärte Frage: "Trotz mannigfaltiger Arbeiten über die Wärmemaschinen, ... ist ihre Theorie doch sehr wenig fortgeschritten, und die Versuche zu ihrer Verbesserung sind fast nur vom Zufall geleitet", schrieb Sadi Carnot 1824. Heute ist klar, dass die maximal mögliche Effizienz einer Wärmekraftmaschine nicht durch die Findigkeit der Ingenieure, sondern durch die fundamentalen Gesetze der von Carnot mitbegründeten Thermodynamik gegeben ist.

Mit dem von Prof. Navin Khaneja (Harvard), Dr. Burkhard Luy und Prof. Steffen Glaser (TU München) in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Science (USA) vorgestellten Verfahren können nun erstmals die physikalischen Grenzen für die Manipulation von Quantenzuständen in Gegenwart von realistischen Relaxationseffekten theoretisch bestimmt werden. Zu ihrem Erstaunen fanden die Wissenschaftler, dass die Effizienz bisher üblicher Methoden noch weit unterhalb dieser bisher unbekannten Grenzen liegt.

Die Forschergruppe aus Harvard und München konnte ihre Erkenntnisse auch praktisch umsetzen und den Wirkungsgrad einer einfachen Quantenmaschine bis zum maximal erreichbaren Wert steigern. In Experimenten am Bayerischen Kernresonanz Zentrum in Garching optimierten sie die Übertragung von Kernspinzuständen in einem organischen Molekül (ein Salz der Ameisensäure) durch die Einstrahlung von Radiowellen nach einem neuartigen Verfahren. Diese Technik verspricht, die Kernresonanz-Spektroskopie von Biomolekülen wesentlich schneller und empfindlicher zu machen und somit Strukturen der großen Moleküle leichter zu entschlüsseln.


Originalveröffentlichung: Boundary of quantum evolution under decoherence
N. Khaneja, B. Luy, S. Glaser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13162-13166, 2003.


Kontakt:
Prof. Dr. Steffen Glaser,
TU München
Institut für Organische Chemie und Biochemie,
Lichtenbergstr. 4, 85747 Garching,
Tel. 089 / 289-13759, Fax 289-13210
glaser@ch.tum.de

Dieter Heinrichsen | idw

Weitere Berichte zu: Effizienz Quantenzustand Quantenzustände Wirkungsgrad

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie