DAS BEZIEHUNGSLEBEN DER QUANTENPUNKTE – STABILIT�T & VERMEHRUNG
Stabile und messbare Zust�nde, die sich �ber zwei Quantenpunkte erstrecken
und vermehren, konnten nun erstmals theoretisch nachgewiesen werden. Dieser
Nachweis unterst�tzt die Idee des so genannten Quanten-Darwinismus, der die
Selektion und Fortpflanzung quantenmechanischer Zust�nde f�r die Wahrnehmung
unserer Realit�t verantwortlich macht. Diese Ergebnisse eines Projekts des
Wissenschaftsfonds FWF wurden vor Kurzem in den Physical Review Letters
ver�ffentlicht und leisten einen Beitrag zur zuk�nftigen Realisierung der
Quanten-Informationstechnologie.
Quantenpunkte sind nanoskopische Strukturen, die so klein sind, dass f�r sie
die Gesetze der Quantenphysik gelten. Das bedeutet unter anderem, dass in
Quantenpunkten Elektronen Zust�nde mit bestimmten Energiewerten einnehmen.
Werden diese Zust�nde der Elektronen gemessen, dann wechselwirken diese mit
der Umgebung. Durch diese Wechselwirkung vermischen sich die Zust�nde der
Elektronen z. T. miteinander, aber auch mit jenen der Umgebung, und werden
energetisch verschmiert. Einige der urspr�nglichen Zust�nde sind jedoch
robust und behalten ihre Energiewerte. Diese werden als „Pointer-Zust�nde“
bezeichnet und konnten bisher nur f�r einzelne Quantenpunkte nachgewiesen
werden.
STABILE BEZIEHUNGEN …
Jetzt ist es einem Team am Institut f�r Physik der Montanuniversit�t Leoben
mit Kollegen an der Arizona State University in den USA gelungen, die
Existenz von neuartigen Pointer-Zust�nden in gekoppelten Quantenpunkten auf
einer Halbleiter-Schichtstruktur aus Aluminiumarsenid und Galliumarsenid
nachzuweisen. Dazu Dr. Roland Brunner aus dem Team von Prof. Friedemar
Kuchar: „Diese Pointer-Zust�nde zweier gekoppelter Quantenpunkte haben wir
als Bipartite Pointer-Zust�nde bezeichnet. Sie sind insofern spannend, als
sie �ber zwei Quantenpunkte ausgedehnt sind und somit ein Analogon zu
Molek�len darstellen. Durch die Wechselwirkung mit der Umgebung werden sie
einer Messung, z. B. des elektrischen Widerstands, zug�nglich.“
… SCHAFFEN NACHWUCHS
Tats�chlich gelang es dem Team auch, deutliche Hinweise auf den so genannten
Quanten-Darwinismus zu finden. Dieser beschreibt die Idee, dass bei einer
Wechselwirkung mit der Umgebung nur die „st�rksten“ Zust�nde, eben die
Pointer-Zust�nde, stabil bleiben und diese die Eigenschaft haben,
„Nachwuchs“ zu produzieren. Zum Nachweis dieser Idee berechnete die Gruppe
um Dr. Brunner und Prof. Kuchar die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der
Elektronen im System mehrerer Quantenpunkte in Serie. Ein solches System
entspricht einem Wellenleiter f�r Elektronen, in dem der elektrische Strom
durch transmittierte Elektronenwellen bestimmt wird. Die Berechnung der
Elektronen-Aufenthaltswahrscheinlichkeit bei der Energie des Bipartiten
Pointer-Zustands zeigte, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeit als
r�umliches Muster f�r viele verschiedene Elektronenwellen gleich ist, d. h.
Nachwuchs der Bipartiten Pointer-Zust�nde pr�sent ist. Dieses Ergebnis wird
international als Nachweis gewertet, dass Quanten-Darwinismus tats�chlich
auftritt.
Wurden in diesem FWF-Projekt Quantenpunkte auf rein theoretischer Basis
untersucht, so ist ihr m�glicher Nutzen durchaus praktischer Natur.
Einerseits konnte mit einer fr�heren Publikation bereits ein Bezug zu einer
gemessenen Gr��e – dem elektrischen Widerstand – hergestellt werden,
andererseits k�nnen die Quantenpunkte die Quintessenz zuk�nftiger Bauteile
der Quanten-Informationstechnologie wie Quanten-Computer bilden. Diese
k�nnten die Robustheit der Bipartiten Pointer-Zust�nde nutzen und damit mehr
als nur die Zust�nde „0“ oder „1“ der bin�ren Logik beschreiben, die das
Leistungsspektrum herk�mmlicher Computer darstellen. Kritisch f�r die
Entwicklung der Quanten-Computer ist jedoch das Messen der Zust�nde � also
die Schnittstelle zur �u�eren „klassischen“ Welt. Erst wenn mehrere
Messungen den gleichen Zustand erfassen, kann eine Messung oder ein Ergebnis
als objektiv gelten. Genau dazu aber muss ein solcher Zustand „Nachwuchs“
schaffen, wie es der Quanten-Darwinismus postuliert, der in diesem Projekt
eine weitere Best�tigung fand.
Originalpublikation: „Coupling-Induced Bipartite Pointer States in Arrays of
Electron Billiards: Quantum Darwinismus in Action?“ R. Brunner, R. Akis, D.
K. Ferry, F. Kuchar & R. Meisels, Phys. Rev. Letters 101, 024102 (2008).
Bild und Text ab Montag, 20. Oktober 2008, 09.00 Uhr MEZ verf�gbar unter:
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Wissenschaftlicher Kontakt:
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Montanuniversit�t Leoben
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