Die Grenzen der Quantenkontrolle von Licht und Materie für die Praxis erweitern
Quantenmechanische Systeme weisen viele einzigartige Eigenschaften auf, die bei klassischen mechanischen Systemen nicht beobachtet werden können. In den letzten Jahren sind für die Manipulation und Abfrage solcher mikroskopischer Systeme mit Anwendungen von der Spintronik bis zu Quantencomputern und biologischen Anwendungen systematische Methoden entstanden. Aber auch wenn die Kontrolle kleiner Quantensysteme ausgiebig erforscht wurde, bleibt die Kontrolle von Großquantensystemen immer noch sehr schwierig. Die Wissenschaftler des EU-geförderten Projekts QUANTUM CONTROL (Tailoring decoherence for controlling spin systems: Deepening foundations; expanding applications) verwendeten einen Kernspin-basierten Quantensimulator, um die Verbreitung von Informationen in relativ großen Systemen zu studieren. Große Quantensysteme wurden mithilfe der Kombination von Quantensimulationen mit Kernspinresonanz (NMR)-Experimente untersucht. Konkret untersuchten die Wissenschaftler die Ausbreitung von Informationen in Festkörpersystemen mit Dipol-Wechselwirkungen. Sie zeigten, wie Störungen der dipolaren Kopplungen die Verbreitung beschränkten, und dass man die Stärke jeder einzelnen Störung unterhalb einer bestimmten Schwelle reduzieren muss, um steuerbar große Quantenzustände zu schaffen. Nur unter dieser Schwelle kann das beobachtete Quantensystem sich frei im Raum erweitern. Der nächste Schritt bestand darin, Methoden zu entwickeln, um Kernspins von freien Elektronen in der Masse zu polarisieren. Diese innovativen Ansätze, die sich auf Diamanten mit Stickstoff-Vakanz Zentren richten, sind kompatibel mit einer breiten Palette von Magnetfeldstärken und -orientierungen. Eine effiziente Spinausrichtungsübertragung verstärkt das von Atomkernen emittierte Signal und öffnet so neue Wege für die Verwendung von Diamantpulvern in NMR-basierten Analysen. Spin-Echo-Sequenzen machten die Wissenschaftler auch auf die Funktion als wertvolles Instrument aufmerksam, um Wirkungen durch zufällige Umweltstörungen zu koppeln und zu entkoppeln. Dieses Konzept kann als diagnostisches Werkzeug genutzt werden, um Informationen aus geschlossenen Systemen abzuleiten. Spins werden als Quantensonden verwendet, deren Dynamik durch Diffusionsprozesse charakterisiert werden kann. Das Team von QUANTUM CONTROL entwickelte eine Reihe von Methoden, um Parameter von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen genau schätzen zu können. Spin-Echo-Sequenzen ermöglichen es, diese Parameter mit der geringstmöglichen Anzahl von Messungen zu bestimmen. Noch wichtiger ist, dass eine hohe Genauigkeit durch die Optimierung der Quantenkontrolle über diese Spin-Sonden erreicht werden kann. In Kombination mit der räumlichen Bildgebungsfähigkeit von Standard-Magnetresonanztomographie liefern die Ergebnisse eine völlig neue Art, mikroskopische strukturelle Architekturen bei extrem hoher Auflösung zu messen. Die Projektergebnisse wurden im Detail in zahlreichen Publikationen in renommierten Fachzeitschriften beschrieben. Anwendungen der neuen Verfahren finden sich voraussichtlich in Materialwissenschaften und Biologie, um Informationen aus geschlossenen Systemen wie etwa Kapillaren, Poren und Zellen auf nicht-invasive Weise zu extrahieren. Darüber hinaus können sie sich für die Herstellung von Kernspinzuständen für Quantenspeicher eignen und nützlich sein, um lebendes Gewebe durch das beobachten von polarisierten Nanodiamanten abzubilden. Nanodiamanten können sicher eingespritzt und dann aus lebenden Tieren wieder eliminiert werden. Oder sie können alternativ in Kontakt mit anderen flüssigen Lösungen gebracht werden, um die Polarisation von den Diamanten auf die Lösung zu übertragen.
Schlüsselbegriffe
Quantenkontrolle, Quantenmessung, Quantensysteme, Quantencomputer, Kernspin, Spin-Echo-Sequenzen, Kernspinresonanz, Magnetresonanztomographie, Stickstoff-Vakanz-Zentren, geschlossene Systeme
