Quanteninformationsverarbeitung und Dekohärenz in festkörperphysikalischen Systemen

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Ein wichtiger realisierbarer Meilenstein unseres Forschungsvorhabens betrifft die detaillierte Untersuchung der Dekohärenz bei Gatteroperationen, wenn zwei wechselwirkende Qubits an ein thermisches Bad ankoppeln. Als Modelle betrachten wir die Quanteninformationsverarbeitung in typischen festkörperphysikalischen Systemen. Im einzelnen untersuchen wir die Hamilton-Operatoren von zwei gekoppelten Quantenpunkten, von gekoppelten Josephson-Kontakten und von einem auf Silizium basierenden NMR-System, dem Kane-Schema. Hier wird die Information auf Kernspins von Phosphor-Donatoren kodiert, die in einem Silizium-Kristall entsprechend angeordnet sind. All diese Systeme sind von ähnlicher Struktur: ein Spin-Hamilton-Operator mit einer Spin-Spin-Austauschkopplung. Mittels numerischer ab-initio-Quantensimulationen im Rahmen einer Realzeitpfadintegral-Formulierung und störungstheoretisch daraus abgeleiteten verallgemeinerten Master-Gleichungen für die reduzierte Dichtematrix des zeitabhängigen gekoppelten Quantensystems sollen die charakteristischen Gatterparameter berechnet werden.Begleitend zu den Experimenten des Projekts von Dr. Blick und Dr. Lorenz sollen diese Größen für das nanophysikalische System von Ladungszuständen in zwei gekoppelten Quantenpunkten ausgewertet werden.Eine zweite Fragestellung unseres Projekts betrifft die Kontrolle der Dekohärenz von verschränkten Quantenzuständen. Vorarbeiten zeigen, daß sowohl die kohärente Dynamik einzelner Qubits (ein Zwei-Niveau-System) als auch der Dekohärenzprozeß mittels externer Steuerfelder gezielt manipuliert werden können. So ist es möglich, den Tunnelprozeß (kohärente Dynamik) mittels dynamischer Steuerfelder - unabhängig von der jeweiligen Präparation - praktisch zum Stillstand zu zwingen. Für gewisse Anfangspräparationen können sogar auch noch andere Komponenten der Dichtematrix "eingefroren" werden. Im Falle einer Kopplung des Systems an die Umgebung verlangsamt sich der Dekohärenzprozeß in Gegenwart eines solchen Feldes. Eine (jetzt stationär gewählte) Kopplung zwischen den Qubits bewirkt eine Verschränkung der beiden Ein-Teilchen-Zustände. Wir wollen nun untersuchen, inwiefern ein zusätzliches, geschickt gewähltes zeitlich periodisches und dauerhaft einwirkendes Hintergrundfeld das Dekohärenzverhalten eines verschränkten Zustandes in Gegenwart eines Wärmebades zu manipulieren (bzw. optimieren) vermag. Als charakteristisches Maß für die Dekohärenz betrachten wir die linearisierte Entropie der reduzierten, zeitlich periodischen Dichtematrix.