Wirkungsgrad von "Quantenmaschinen" ausgelotet

Eine Dampfmaschine ist um so besser, je mehr Arbeitsleistung sie aus einer gegebenen Brennstoffmenge herausholen kann. Der maximal mögliche Wirkungsgrad jeder Maschine ist jedoch durch Naturgesetze beschränkt. Dies gilt auch für die Effizienz von „Quantenmaschinen“, bei denen bestimmte Quantenzustände gezielt in andere Quantenzustände überführt werden sollen.

Bisher war aber unbekannt, wie groß der bestmögliche Wirkungsgrad von Quantenmaschinen in der Praxis sein kann. Wissenschaftler der Technischen Universität München und der Harvard University entdeckten nun fundamentale Grenzen für die Effizienz von solchen Systemen unter realistischen Bedingungen und konnten an einem Modellsystem die vorhergesagte maximal mögliche Ausbeute auch experimentell realisieren.

Die gezielte und möglichst verlustarme Steuerung von Quantenzuständen spielt bereits heute eine entscheidende Rolle bei modernen spektroskopischen Verfahren. So wird etwa bei der Kernresonanz-Spektroskopie zur Strukturbestimmung von großen Biomolekülen der Quantenzustand des Spins von Atomkernen durch Einstrahlen von Radiowellen in einem starken Magnetfeld auf andere Atome übertragen. Darüber hinaus sind Manipulationen von Quantenzuständen eine wesentliche Voraussetzung für die Realisierung von Zukunftstechnologien, wie etwa der Quanteninformations-Verarbeitung. Quantenzustände können jedoch nie ohne Verluste manipuliert werden, da sie nicht vollständig von ihrer Umgebung isolierbar sind. Dieser „Informationsverlust“ an die Umgebung wird Relaxation oder Dekohärenz genannt und ist etwa vergleichbar mit Reibungsverlusten bei mechanische Maschinen.

Obwohl die Quantenmechanik bereits über 100 Jahre alt ist, war die Frage nach dem bestmöglichen Wirkungsgrad einer „Quantenmaschine“ in Gegenwart von Relaxation bisher ein ungelöstes Problem. Dies ist vergleichbar mit der Zeit vor der Entdeckung der fundamentalen Grenzen für den Wirkungsgrad, mit der eine Dampfmaschine Wärme in mechanische Arbeit überführen kann. Mehr als 100 Jahre nach Erfindung der Dampfmaschine war dies ebenfalls noch eine ungeklärte Frage: „Trotz mannigfaltiger Arbeiten über die Wärmemaschinen, … ist ihre Theorie doch sehr wenig fortgeschritten, und die Versuche zu ihrer Verbesserung sind fast nur vom Zufall geleitet“, schrieb Sadi Carnot 1824. Heute ist klar, dass die maximal mögliche Effizienz einer Wärmekraftmaschine nicht durch die Findigkeit der Ingenieure, sondern durch die fundamentalen Gesetze der von Carnot mitbegründeten Thermodynamik gegeben ist.

Mit dem von Prof. Navin Khaneja (Harvard), Dr. Burkhard Luy und Prof. Steffen Glaser (TU München) in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Science (USA) vorgestellten Verfahren können nun erstmals die physikalischen Grenzen für die Manipulation von Quantenzuständen in Gegenwart von realistischen Relaxationseffekten theoretisch bestimmt werden. Zu ihrem Erstaunen fanden die Wissenschaftler, dass die Effizienz bisher üblicher Methoden noch weit unterhalb dieser bisher unbekannten Grenzen liegt.

Die Forschergruppe aus Harvard und München konnte ihre Erkenntnisse auch praktisch umsetzen und den Wirkungsgrad einer einfachen Quantenmaschine bis zum maximal erreichbaren Wert steigern. In Experimenten am Bayerischen Kernresonanz Zentrum in Garching optimierten sie die Übertragung von Kernspinzuständen in einem organischen Molekül (ein Salz der Ameisensäure) durch die Einstrahlung von Radiowellen nach einem neuartigen Verfahren. Diese Technik verspricht, die Kernresonanz-Spektroskopie von Biomolekülen wesentlich schneller und empfindlicher zu machen und somit Strukturen der großen Moleküle leichter zu entschlüsseln.

Originalveröffentlichung: Boundary of quantum evolution under decoherence
N. Khaneja, B. Luy, S. Glaser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13162-13166, 2003.

Kontakt:
Prof. Dr. Steffen Glaser,
TU München
Institut für Organische Chemie und Biochemie,
Lichtenbergstr. 4, 85747 Garching,
Tel. 089 / 289-13759, Fax 289-13210
glaser@ch.tum.de