The term "Decoherence" in German is typically translated as "Dekohärenz."

Dekohärenz Definition

Dekohärenz bezeichnet den Prozess, durch den die quantenmechanischen Eigenschaften eines Quantensystems, wie Superposition und Verschränkung, zerstört oder verloren gehen. Dies führt dazu, dass sich das System eher klassisch und vorhersagbar verhält.

Dekohärenz ist ein natürliches Phänomen, das auftritt, wenn ein Quantensystem mit seiner Umgebung interagiert. Sie stellt eine große Herausforderung im Bereich des Quantencomputings und der Quanteninformationsverarbeitung dar, da sie die Fähigkeit einschränkt, empfindliche Quantenzustände über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten und zu manipulieren.

Wie Dekohärenz Auftritt

Wenn ein Quantensystem mit der Umgebung interagiert, durchläuft es einen Prozess, der als Dekohärenz bekannt ist. Diese Interaktion kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, wie Luftmoleküle, thermische Strahlung und elektromagnetische Felder. Diese externen Einflüsse stören die empfindlichen Quantenzustände des Systems und führen zum Verlust seiner quantenmechanischen Eigenschaften.

Der Prozess der Dekohärenz kann durch das Konzept des Wellenfunktion-Zusammenbruchs verstanden werden. Laut den Prinzipien der Quantenmechanik existiert ein Quantensystem in einer Superposition mehrerer Zustände, bis es beobachtet oder gemessen wird. Wenn das System jedoch mit seiner Umgebung interagiert, wird es mit den umgebenden Teilchen verschränkt, was dazu führt, dass die Superposition in einen einzigen Zustand kollabiert. Dieser Kollaps zerstört die quantenmechanischen Eigenschaften des Systems und führt zu einem klassischen, vorhersagbaren Verhalten.

Arten der Dekohärenz

Es gibt mehrere Arten der Dekohärenz, die in einem Quantensystem auftreten können. Dazu gehören:

1. Phasen-Dekohärenz: Dies tritt auf, wenn das Quantensystem seine Phaseninformation aufgrund von Interaktionen mit der Umgebung verliert. Die Phasen-Dekohärenz ist insbesondere im Quantencomputing von Bedeutung, da Quantenalgorithmen auf der Interferenz von Quantenzuständen basieren, um eine Beschleunigung der Berechnung zu erreichen.

2. Dissipative Dekohärenz: Diese Art der Dekohärenz entsteht durch den kontinuierlichen Energieverlust des Quantensystems an seine Umgebung. Der Prozess der Energiedissipation, wie die Emission von Photonen oder Phononen, führt im Laufe der Zeit zum Abbau der quantenmechanischen Eigenschaften des Systems.

3. Messinduzierte Dekohärenz: Wenn ein Quantensystem gemessen wird, interagiert es mit dem Messgerät und der Umgebung, was zur Dekohärenz führt. Diese Art der Dekohärenz ist mit dem Kollaps der Wellenfunktion bei der Messung verbunden.

Anwendungen und Auswirkungen der Dekohärenz

Dekohärenz stellt eine erhebliche Herausforderung im Bereich des Quantencomputings und der Quanteninformationsverarbeitung dar. Sie schränkt die Fähigkeit ein, Quantenzustände aufrechtzuerhalten und zu manipulieren, die für die Durchführung komplexer Quantenberechnungen und das Erreichen eines Quantenvorteils gegenüber klassischen Systemen unerlässlich sind.

Die Auswirkungen der Dekohärenz erstrecken sich über das Gebiet des Quantencomputings hinaus. In der Quantenkryptografie beispielsweise kann die Dekohärenz die Sicherheit von Quantenschlüsselaustauschsystemen beeinträchtigen. Diese Systeme basieren auf der Übertragung von Quantenzuständen, um Verschlüsselungsschlüssel sicher auszutauschen. Wenn jedoch während der Übertragung Dekohärenz auftritt, könnten Abhörer Zugriff auf den Schlüssel erhalten und die Sicherheit der Kommunikation kompromittieren.

Vermeidung und Minderung der Dekohärenz

Die Vermeidung oder Minderung der Auswirkungen der Dekohärenz ist entscheidend für den Fortschritt der Quantentechnologien. Hier sind einige Strategien, die erforscht werden:

1. Isolationstechniken: Die Abschirmung von Quantensystemen vor äußeren Einflüssen ist eine effektive Methode, um die Dekohärenz zu reduzieren. Dies kann durch die Schaffung einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen und hohen Vakuums erreicht werden, um Interaktionen mit Luftmolekülen und anderen Partikeln zu minimieren. Darüber hinaus kann die Isolierung des Systems von elektromagnetischen Feldern und Vibrationen dazu beitragen, die Dekohärenz zu minimieren.

2. Fehlerkorrekturmethoden: Fehlerkorrekturtechniken können helfen, die Auswirkungen der Dekohärenz auf Quantensysteme zu mindern. Diese Methoden beinhalten die redundante Kodierung von Informationen in Quantenzuständen, wodurch Fehler, die durch Dekohärenz verursacht werden, erkannt und korrigiert werden können. Durch die Verteilung der Quanteninformation auf mehrere physikalische Qubits und die Durchführung von Fehlerkorrekturvorgängen können die Effekte der Dekohärenz minimiert werden.

Verwandte Begriffe

• Quantenüberlegenheit: Die Fähigkeit von Quantencomputern, Probleme zu lösen, die für klassische Computer unlösbar sind.
• Quantenkryptografie: Sichere Kommunikation basierend auf den Prinzipien der Quantenmechanik, die den Quantenschlüsselaustausch zur sicheren Übertragung von Verschlüsselungsschlüsseln nutzt.