Quantentechnologien bieten die erstaunliche Perspektive, den Fortschritt in der Kommunikation, dem Computing oder der Kryptographie voranzutreiben. Ihr Vorteil liegt in der Nutzung der Gesetze der Quantenmechanik, die gegenüber der klassischen Physik die Möglichkeit eröffnen, hocheffiziente Quantenalgorithmen zu implementieren, so dass die Quantennatur eines Systems zu einer wertvollen Ressource wird.
Die Zahl der verfügbaren Quantensysteme ist jedoch groß, und die Quantifizierung des tatsächlichen Nutzens eines bestimmten Quantensystems und die Herstellung stabiler Quantenzustände für künftige Anwendungen sind die größten Herausforderungen beim Übergang von der klassischen zur Quanteninformationswissenschaft und -technologie. Wie lange ein Quantensystem seine Quanteneigenschaft beibehalten kann, ist einer der wichtigsten Indikatoren für seine Nützlichkeit in quantenmechanischen Anwendungen.
In einer gemeinsamen Arbeit haben Forschergruppen aus Dortmund, Paderborn und Würzburg die langfristige Nutzbarkeit von Quasiteilchen-Kondensaten, die aus gemischten Teilchen aus Licht und elektronischen Halbleiteranregungen bestehen – sogenannten Polaritonen – für die Quanteninformationsverarbeitung ermittelt. Sie haben das Polariton-Kondensat erstmals mit modernsten Phasenraummethoden experimentell charakterisiert und die Daten mit neuartigen numerischen Verfahren analysiert. Die Studie wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
In der Studie haben die Forscher*innen einen Rahmen geschaffen und implementiert, der es ermöglicht, die Dynamik der Quantenkohärenz als eine Verarbeitungsressource für Quantenwissenschaften und -technologien zu bewerten. Sie fanden heraus, dass die Polaritonenkondensate Kohärenzzeiten bis in den Nanosekundenbereich aufweisen, obwohl sie sich in einer verrauschenden Umgebung befanden.
Die Forscher*innen entwickelten auch fortschrittliche numerische Methoden, die mit dem vorgestellten Ansatz kompatibel sind und zu Vorhersagen führen, die ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen aufweisen.
Diese multidisziplinäre Arbeit kombiniert theoretische, rechnergestützte und experimentelle Quantenphysik. Der in dieser Publikation entwickelte Ansatz der Phasenraumdarstellung bietet ein intuitives Mittel zur Einführung dynamischer Quantifizierer von Quantenressourcen, die sich leicht auf andere Quantensysteme anwenden lassen. Die Quantifizierung der Nützlichkeit von Quantentechnologien wird damit fast so einfach wie das Anbringen eines Etiketts.
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Kontakt: Prof. Dr. Marc Aßmann, TU Dortmund
