Exotische Quantenzustände
Forscher in Österreich schlagen ein neues Konzept zur "Erzeugung exotischer, sogenannter topologischer Quantenzustände in Vielteilchensystemen" vor. Die in der Fachzeitschrift Nature Physics präsentierte Studie wurde teilweise über die Projekt NAME-QUAM ("Nanodesigning of atomic and molecular quantum matter") und AQUTE ("Atomic quantum technologies") der EU finanziert. Bede werden unter dem Themenbereich "Informations- und Kommunikationstechnologien" des Siebten Rahmenprogramms (RP7) mit 2,09 Mio. EUR bzw. 5,3 Mio. EUR gefördert. Die Wissenschaftler der Universität Innsbruck verbanden Ideen aus der Quantenoptik mit Konzepten der Festkörpermechanik und demonstrierten wie ein störungsunempfindlicher Quantencomputer entwickelt werden kann. Die Physiker Sebastian Diehl und Peter Zoller präsentierten 2008 einen neuen Ansatz zur Herstellung von Quantenzuständen in Vielteilchensystemen. Dazu bedienten sie sich eines physikalischen Phänomens, das normalerweise den Grad der Unordnung in einem System, die sogenannte Dissipation, erhöht. Dissipation beschreibt etwa die Bildung von Wärmeenergie durch Reibung. Doch in der Quantenphysik kann Dissipation auch Ordnung herstellen und einen reinen Vielteilchenzustand erzeugen. Unter der Leitung von Rainer Blatt hat das Innsbrucker Team experimentell gezeigt, dass eine Anzahl bestimmter Quanteneffekte gezielt erzeugt und durch Dissipation verstärkt werden kann. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften bieten die Innsbrucker Forscher einen Einblick in die Frage, wie Dissipation vielversprechend eingesetzt werden könnte. Sie heben hervor, dass die topologische Ordnung die Ordnung von Vielteilchensystemen in der Festkörperphysik beschreiben hilft. Etwa der Quanten-Hall-Effekt und die topologischen Isolatoren. Der erste wurde bereits in den 1980er Jahren demonstriert und bei den topologischen Isolatoren hatte man herausgefunden, dass sie sich wie ein elektrischer Isolator verhalten während sie gleichzeitig auf ihrer Oberfläche die Bewegung von Ladungen erlauben. Das Team um Sebastian Diehl und Peter Zoller schlägt nun vor, mit einer dissipativen Dynamik in einem Quantensystem sogenannte Majorana-Fermionen zu erzeugen. Dieses nach dem italienischen Physiker Ettore Majorana benannte topologische Phänomen beschreibt Teilchen, die gleichzeitig ihre eigenen Antiteilchen sind "Wir zeigen nun einen neuen Weg auf, wie solche Majorana-Fermionen in einem Quantensystem gezielt erzeugt werden können," sagt Sebastian Diehl. "Dazu nutzen wir eine dissipative Dynamik, die das System gerichtet in diesen Zustand treibt und bei jeder Störung wieder dahin zurückzwingt." Die Wissenschaftler sagen, dass sich beide Ansätze sich durch hohe Robustheit gegenüber kleinen Störungen auszeichneten. "Wir arbeiten hier an der Schnittstelle zwischen diesen beiden Disziplinen, was aufregende neue Möglichkeiten schafft", sagt Diehl. "Wir haben die vollständige topologische Checkliste abgearbeitet und gezeigt, dass deren Voraussetzungen auch in einem System mit dissipativer Dynamik gelten."Weitere Informationen finden Sie unter: Universität Innsbruck http://www.uibk.ac.at/ Nature Physics http://www.nature.com/nphys/index.html
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