Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quanteninformationsverarbeitung: Physik - Gemeinsam stärker in der Quantenwelt

15.10.2013
LMU-Wissenschaftler haben einen bisher unbekannten Effekt entdeckt, der einen Störfaktor bei der Nutzung von Quanteneffekten ausbremsen kann – dies könnte besonders die Quanteninformationsverarbeitung entscheidend voranbringen.

Wie die Welt und das Universum im Großen funktionieren, wird durch die Gesetze der klassischen Physik beschrieben. Dabei sind der Zustand eines Systems und damit dessen Zukunft eindeutig durch die Orte und Geschwindigkeiten der einzelnen Teilchen bestimmt.

Auf mikroskopischer Ebene, wo sich die Dynamik auf sehr kleinen Energieskalen abspielt – etwa wenn man Atome oder die Elektronen in einem Festkörper betrachtet – öffnen sich neue Dimensionen: Hier kommen die Gesetze der Quantenphysik zum Tragen. Das bedeutet, dass sich verschiedene klassische Zustände überlagern und Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens nur mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden können.

„Damit steht dem System eine viel größere Menge von möglichen Zuständen zur Verfügung. Es ist wesentlich komplexer und schwieriger zu beschreiben, bietet aber auch mehr Möglichkeiten für technische Anwendungen“, sagt der LMU-Physiker Dr. Thomas Barthel. Eine mögliche Anwendung, in die viele Hoffnungen gesetzt werden, sind etwa Quantencomputer: Die Miniaturisierung unserer normalen Computer stößt an ihre Grenzen, weil die Leiterbahnen so eng und klein werden, dass Quanteneffekte relevant werden. Mit Quantencomputern versucht man einen Paradigmenwechsel einzuleiten, bei dem Quanteneffekte nicht mehr limitierende Störungen darstellen, sondern gezielt ausgenutzt werden, um bisher unerreichte Rechnerleistungen zu erzielen.

Allerdings gibt es bei der Nutzung von Quanteneffekten eine Schwierigkeit: Wenn ein quantenmechanisches System nicht komplett abgeschirmt ist, sondern in Wechselwirkung mit seiner Umwelt tritt, werden seine quantenmechanischen Eigenschaften zerstört. In dem Moment, in dem im Labor ein Quantensystem - etwa ein Atom – gemessen wird, entscheidet sich das System für einen Zustand, sodass die Überlagerung irreversibel verschwindet. Bei einer Kopplung des Quantensystems an seine Umgebung passiert dies ganz ähnlich. Die Umwelt macht eine Art Messung und lässt die Quanteninformation zerfallen. „Dann folgt unser System den Gesetzen der normalen – langweiligen – klassischen Mechanik“, sagt Barthel.

Vielfalt verschwindet in Vielteilchensystemen langsamer

Dieses Phänomen wird Dekohärenz genannt und ist der Feind jedes Experimentators, der die quantenmechanischen Eigenschaften eines Systems untersuchen oder für technische Zwecke ausnutzen möchte. Typischerweise erfolgt der Zerfall der quantenmechanischen Eigenschaften exponentiell mit der Zeit. In ihrer neuen Studie haben Barthel und sein Kollege Dr. Zi Cai nun untersucht, was passiert, wenn nicht die typischen einfachen Quantensysteme (z.B. ein einzelnes Elektron oder Ion) untersucht werden, sondern sogenannte Vielteilchensysteme mit sehr großer Teilchenzahl. Dazu gehören etwa Elektronen in einem Festkörper. „Dabei haben wir entdeckt, dass sich das Zerfallsgesetz der Quanteninformation qualitativ ändern kann“, erklärt Barthel: Besteht das Quantensystem aus sehr vielen Teilchen, die untereinander wechselwirken, kann die Zerfallszeit gegen unendlich gehen. In diesem Fall folgt der Zerfall einem Potenzgesetz – und ist damit sehr viel langsamer als in einfachen Systemen. Indem die Teilchen zusammenarbeiten, können sie also den zerstörerischen Einfluss der Umwelt minimieren.

Damit haben die Wissenschaftler einen bisher unbekannten fundamentalen Effekt entdeckt, der für zukünftige Experimente und technische Anwendungen von großer Bedeutung ist. „Mit unserer Studie liefern wir allgemein das Handwerkszeug, um die Dekohärenz in Quantenvielteilchensystemen tunen zu können – dies ist insbesondere für das Feld der Quanteninformationsverarbeitung ein wichtiger Fortschritt“, betont Barthel. Unter anderem könnte man den neu entdeckten Effekt bei der Realisierung von Quantencomputern und bei der Simulation von Quantensystemen mithilfe anderer gut kontrollierbarer Quantensysteme
ausnutzen.
(Physical Review Letters 2013) göd
Publikation:
Algebraic versus exponential decoherence in dissipative many-particle systems
Zi Cai and Thomas Barthel
Phys. Rev. Lett. 111, 150403 (2013).
Doi: 10.1103/PhysRevLett.111.150403
Kontakt:
Dr. Thomas Barthel
Fakultät für Physik
Phone: +49 (0)89 2180-6417
E-Mail: t.barthel@physik.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Freie Elektronen in Sonnen-Protuberanzen untersucht
25.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Magnetische Quantenobjekte im "Nano-Eierkarton": PhysikerInnen bauen künstliche Fallen für Fluxonen
25.07.2017 | Universität Wien

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: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Im Focus: Breitbandlichtquellen mit flüssigem Kern

Jenaer Forschern ist es gelungen breitbandiges Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten optischen Fasern zu erzeugen. Mit den Fasern lieferten sie zudem experimentelle Beweise für eine neue Dynamik von Solitonen – zeitlich und spektral stabile Lichtwellen – die aufgrund der besonderen Eigenschaften des Flüssigkerns entsteht. Die Ergebnisse der Arbeiten publizierte das Jenaer Wissenschaftler-Team vom Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Optik und Feinmechanik, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Insituts im renommierten Fachblatt Nature Communications.

Aus einem ultraschnellen intensiven Laserpuls, den sie in die Faser einkoppeln, erzeugen die Wissenschaftler ein, für das menschliche Auge nicht sichtbares,...

Im Focus: Flexible proximity sensor creates smart surfaces

Fraunhofer IPA has developed a proximity sensor made from silicone and carbon nanotubes (CNT) which detects objects and determines their position. The materials and printing process used mean that the sensor is extremely flexible, economical and can be used for large surfaces. Industry and research partners can use and further develop this innovation straight away.

At first glance, the proximity sensor appears to be nothing special: a thin, elastic layer of silicone onto which black square surfaces are printed, but these...

Im Focus: 3-D scanning with water

3-D shape acquisition using water displacement as the shape sensor for the reconstruction of complex objects

A global team of computer scientists and engineers have developed an innovative technique that more completely reconstructs challenging 3D objects. An ancient...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungen

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

IT-Experten entdecken Chancen für den Channel-Markt

25.07.2017 | Unternehmensmeldung

Erst hot dann Schrott! – Elektronik-Überhitzung effektiv vorbeugen

25.07.2017 | Seminare Workshops

Dichtes Gefäßnetz reguliert Bildung von Thrombozyten im Knochenmark

25.07.2017 | Biowissenschaften Chemie