Verloren und wieder gefunden – Haben Photonen ein Gedächtnis?

Die moderne Quantenphysik ermöglicht viele interessante Anwendungen, die auf den faszinierenden Eigenschaften quantenmechanischer Systeme aufbauen. So lassen sich zum Beispiel das kohärente Verhalten und die enge Verschränkung quantenmechanischer Teilchen ausnutzen, um die Effizienz physikalischer Prozesse zu steigern.

In der Realität jedoch sind Quantensysteme unvermeidlichen Einflüssen ihrer Umgebung ausgesetzt, die oft dazu führen, dass die sehr fragilen quantenmechanischen Zustände kontinuierlich zerstört werden und Informationen unwiederbringlich verloren gehen. Eine große Herausforderung der aktuellen Grundlagenforschung ist es daher, effiziente Strategien für die Beschreibung und Analyse sowie die Manipulation und Kontrolle von Quantensystemen in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung zu entwickeln.

In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Arbeit wird erstmals experimentell demonstriert, dass sich durch gezielte Kontrolle der Umgebung Quantensysteme so verändern lassen, dass ein Rückfluss von Information aus der Umgebung stattfindet und somit die gewünschten, typisch quantenmechanischen Eigenschaften wiederhergestellt werden. Die Arbeit entstand aus einer engen Kollaboration zwischen Forschergruppen am Physikalischen Institut der Universität Freiburg, an der Universität Turku, Turku Centre for Quantum Physics/Finnland, und an der Universität Hefei, Key Laboratory of Quantum Information/China. Sie bestätigt in vollem Umfang die in Freiburg und Turku entwickelten theoretischen Vorhersagen.

Der im Experiment nachgewiesene Effekt beruht auf der Quanten-Natur der Polarisation von Photonen. Neue experimentelle Methoden ermöglichen eine genaue Präparation und eine präzise Zustands-Tomographie dieser Teilchen. Dadurch kann die zeitliche Entwicklung der Polarisation einzelner Photonen beim Durchgang durch doppelbrechende Materialien, wie zum Beispiel Quarz, im Detail verfolgt werden. Das Experiment zeigt, dass Photonen ein Gedächtnis haben, also in der Lage sind, sich an frühere Zustände zu erinnern und ihre ursprünglichen Quanteneigenschaften wiederzugewinnen. Die Ergebnisse versprechen eine Reihe von Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie.

Publikation:
Experimental control of the transition from Markovian
to non-Markovian dynamics of open quantum systems.
B.-H. Liu, L. Li, Y.-F. Huang, C.-F. Li, G.-C. Guo, E.-M.
Laine, H.-P. Breuer and J. Piilo
Nature Physics, published online: 11. September 2011
DOI: 10.1038/NPHYS2085.
Kontakt:
Prof. Dr. Heinz-Peter Breuer
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Physikalisches Institut
Tel.: 0761/203-7690
Fax: 0761/203-5881
E-Mail: breuer@physik.uni-freiburg.de