Meistergleichung zur Förderung von Quantentechnologien

Da die Größe moderner Technologie auf den Nanobereich schrumpft, werden seltsame Quanteneffekte – wie Quantentunneln, Überlagerung und Verschränkung – deutlich. Dies öffnet die Tür zu einer neuen Ära der Quantentechnologien, in der Quanteneffekte ausgenutzt werden können. Viele Alltagstechnologien nutzen die Rückkopplungskontrolle routinemäßig; Ein wichtiges Beispiel ist der Herzschrittmacher, der den Herzschlag des Benutzers überwachen und nur bei Bedarf elektrische Signale zur Steuerung anlegen muss. Aber Physiker haben noch kein gleichwertiges Verständnis von Rückkopplungskontrolle auf Quantenebene. Jetzt haben Physiker eine „Master-Gleichung“ entwickelt, die Ingenieuren helfen wird, Rückkopplungen auf der Quantenskala zu verstehen. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

„Es ist wichtig zu untersuchen, wie Feedback Control in Quantentechnologien eingesetzt werden kann, um effiziente und schnelle Methoden zur Steuerung von Quantensystemen zu entwickeln, damit sie in Echtzeit und mit hoher Präzision gesteuert werden können“, sagt Co-Autor Björn Annby- Andersson, Quantenphysiker an der Universität Lund in Schweden.

Ein Beispiel für einen entscheidenden Feedback-Kontrollprozess in der Quantencomputertechnik ist die Quantenfehlerkorrektur. Ein Quantencomputer codiert Informationen auf physikalischen Qubits, die beispielsweise Lichtphotonen oder Atome sein können. Aber die Quanteneigenschaften der Qubits sind zerbrechlich, daher ist es wahrscheinlich, dass die codierten Informationen verloren gehen, wenn die Qubits durch Vibrationen oder schwankende elektromagnetische Felder gestört werden. Das bedeutet, dass Physiker in der Lage sein müssen, solche Fehler zu erkennen und zu korrigieren, beispielsweise durch den Einsatz von Feedback Control. Diese Fehlerkorrektur kann implementiert werden, indem der Zustand der Qubits gemessen wird und, wenn eine Abweichung von dem, was erwartet wird, erkannt wird, Feedback angewendet wird, um sie zu korrigieren.

Aber die Rückkopplungskontrolle auf Quantenebene stellt einzigartige Herausforderungen dar, gerade wegen der Zerbrechlichkeit, die Physiker zu mindern versuchen. Diese heikle Natur bedeutet, dass sogar der Rückkopplungsprozess selbst das System zerstören könnte. „Es ist notwendig, nur schwach mit dem gemessenen System zu interagieren, um die Eigenschaften zu erhalten, die wir ausnutzen wollen“, sagt Annby-Andersson.

Es ist daher wichtig, ein vollständiges theoretisches Verständnis der Quantenrückkopplungssteuerung zu entwickeln, um ihre grundlegenden Grenzen festzulegen. Die meisten bestehenden theoretischen Modelle der Quantenrückkopplungssteuerung erfordern jedoch Computersimulationen, die typischerweise nur quantitative Ergebnisse für bestimmte Systeme liefern. „Es ist schwierig, allgemeine, qualitative Schlussfolgerungen zu ziehen“, sagt Annby-Andersson. „Die wenigen Modelle, die ein qualitatives Verständnis liefern können, sind nur auf eine enge Klasse rückkopplungsgesteuerter Systeme anwendbar – diese Art der Rückkopplung wird typischerweise als lineare Rückkopplung bezeichnet.“

‚Stift und Papier‘

Annby-Andersson und seine Kollegen haben nun eine Master-Gleichung namens „Quanten-Fokker-Planck-Gleichung“ entwickelt, die es Physikern ermöglicht, die Entwicklung jedes Quantensystems mit Rückkopplungskontrolle über die Zeit zu verfolgen. „Die Gleichung kann Szenarien beschreiben, die über lineares Feedback hinausgehen“, sagt Annby-Andersson. „Insbesondere kann die Gleichung mit Stift und Papier gelöst werden, anstatt sich auf Computersimulationen verlassen zu müssen.“

Das Team testete seine Gleichung, indem es sie auf ein einfaches Feedback-Modell anwendete. Dies bestätigte, dass die Gleichung physikalisch sinnvolle Ergebnisse liefert, und demonstrierte auch, wie Energie in mikroskopischen Systemen mithilfe von Feedback-Steuerung gewonnen werden kann. „Die Gleichung ist ein vielversprechender Ausgangspunkt für zukünftige Studien, wie Energie mit Hilfe von Informationen auf mikroskopischer Ebene manipuliert werden kann“, sagt Annby-Andersson.

Das Team untersucht nun ein System, das Rückkopplung nutzt, um Energie in „Quantenpunkten“ zu manipulieren – winzige halbleitende Kristalle mit einem Durchmesser von nur einem Milliardstel Meter. „Eine wichtige zukünftige Richtung besteht darin, die Gleichung als Werkzeug zur Erfindung neuartiger Rückkopplungsprotokolle zu verwenden, die für Quantentechnologien verwendet werden können“, sagt Annby-Andersson.

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