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Wie Quantenbauelemente ihr Gedächtnis behalten

Jülich, 1. Juni 2021 – Viele Quantenbauelemente elektrischer oder optischer Art reagieren zeitlich verspätet auf einen Steuerungsimpuls. Daraus ergeben sich dämpfende Widerstandseffekte, die zeitverzögert auftreten – die Systeme weisen noch Spuren ihrer Vergangenheit auf. Forschende der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich haben jetzt gezeigt, wie dieses „Gedächtnis“ einfacher modelliert werden kann. Die Ergebnisse sind unter anderem für Anwendungen in der Quantentechnologie relevant, deren Entwicklung aufgrund von Schwierigkeiten bei der Modellierung immer noch eine Herausforderung ist.

In der Physik wird die Schrödinger-Gleichung zur Beschreibung von Quantensystemen herangezogen. Doch diese sieht keinerlei Dämpfungs- und Verzögerungseffekte vor. Da aber jedes reale Bauelement eine Dämpfung aufweist – Quantensysteme sind da keine Ausnahme – wurde großer Forschungsaufwand betrieben, um zu verstehen, wie diese Effekte aus Schrödingers Quantengesetz hervorgehen.

Es stellte sich heraus, dass die in Experimenten beobachteten Dämpfungs- und Verzögerungseffekte auf den Einfluss der Umgebung zurückzuführen sind. Wenn die Umgebung mit betrachtet wird ergeben sich überraschenderweise jedoch zwei fundamentale Gesetzte, die Schrödingers Gleichung ersetzten. Das eine Gesetz beinhaltet ein zeitliches Gedächtnis, während das andere Gesetz ein solches – scheinbar – überhaupt nicht vorsieht. Beide führen aber zu der gleichen, korrekten Beschreibung des Quantensystems.

Die Aachener und Jülicher Wissenschaftler haben nun einen überraschend einfachen Zusammenhang zwischen diesen beiden Gesetzen gefunden. Dies führt zu einem besseren Verständnis davon, wie ein Quantensystem ein Gedächtnis seiner Umgebung bewahrt. Die Übersetzung zwischen den beiden Gesetzen ist zudem praktisch wichtig, da diese jeweils unterschiedliche Fragen beantworten können. Das Gesetz ohne Gedächtnis erklärt spontane Sprünge eines Quantensystems, die beispielsweise bei der Entwicklung von Quantencomputern berücksichtigt werden müssen. Das Gesetz mit Gedächtnis ermöglicht genauere Berechnungen, wenn der Einfluss der Umgebung besonders stark ist. Keines der beiden Gesetze beantwortet alle Fragen, erst der Wechsel zwischen beiden Gesetzen ermöglicht eine vollständigere Analyse von Quantensystemen.

Konstantin Nestmann und Valentin Bruch vom Lehr- und Forschungsgebiet Theoretische Physik (Theorie der kondensierten Materie) der RWTH Aachen und Professor Maarten Wegewijs vom RWTH-Lehrstuhl für Theorie der statistischen Physik A und des Peter Grünberg Instituts für Theoretische Nanoelektronik des Forschungszentrums Jülich waren an der Arbeit beteiligt im Rahmen des DFG Graduiertenkollegs 1995, die in der Fachzeitschrift Physical Review X erschienen ist.

Originalpublikation:

K. Nestmann, V. Bruch, M. R. Wegewijs
How Quantum Evolution with Memory is Generated in a Time-Local Way
Phys. Rev. X (published 24 May 2021), DOI: 10.1103/PhysRevX.11.021041

Weitere Informationen:

Peter Grünberg Institut, Theoretische Nanoelektronik (PGI-2)

JARA-Institut für Quanteninformation (PGI-11)

Ansprechpartner:

Prof. M. R. Wegewijs
Peter Grünberg Institut, Theoretische Nanoelektronik (PGI-2)
Tel: +49 2461 61-3137
Email: m.r.wegewijs@fz-juelich.de