Seit der Entwicklung der Quantenmechanik ist die experimentelle Kontrolle von Quantensystemen Thema eingehender Studien. Heute ist es möglich, sogar mit einzelnen Quantensystemen zu experimentieren und dabei auf deterministische Weise Überlagerungen und Verschänkungen zu erzeugen. D. J. Wineland gibt in seinem Nobel-Aufsatz einen Überblick über diese Forschungen, die zum Physik-Nobelpreis 2012 führten.
Seit der Entwicklung der Quantenmechanik ist die experimentelle Kontrolle von Quantensystemen Thema eingehender Studien. Heute ist es möglich, sogar mit einzelnen Quantensystemen zu experimentieren und dabei auf deterministische Weise Überlagerungen und Verschänkungen zu erzeugen. D. J. Wineland gibt in seinem Nobel-Aufsatz einen Überblick über diese Forschungen, die zum Physik-Nobelpreis 2012 führten.
Die Arbeiten, für die mir die Ehre des Nobelpreises für das Jahr 1954 zuteil geworden ist, enthalten keine Entdeckung einer neuen Naturerscheinung, sondern die Begründung einer neuen Art, über Naturerscheinungen zu denken. Diese Denkweise hat sich in der experimentellen und theoretischen Physik in solcher Weise durchgesetzt, daß es kaum möglich scheint, darüber noch etwas zu sagen, was nicht schon oft gesagt worden ist. Und doch gibt es einige besondere Gesichtspunkte, die ich bei dieser, für mich so festlichen Gelegenheit, erörtern möchte. Der erste Punkt ist dieser: Die Arbeiten der Göttinger Schule, der ich damals in den Jahren 1926 und 1927 vorstand, trugen bei zur Lösung einer intellektuellen Krise, in die unsere Wissenschaft durch Plancks Entdeckung des Wirkungsquantums im Jahre 1900 geraten war. Heute ist die Physik in einer ähnlichen Krise — ich meine hier nicht ihre Verwicklung in Politik und Wirtschaft durch die Beherrschung einer neuen furchtbaren Naturkraft, sondern ich denke an die durch die Kern= physik gestellten logisch=erkenntnistheoretischen Probleme. Vielleicht ist es gut, in solcher Zeit sich zu erinnern, was früher in ähnlicher Lage geschah, zumal dies Geschehen nicht eines gewissen dramatischen Effekts entbehrt. — Zum zweiten, wenn ich sagte, die Physiker hätten die damals von uns entwickelte Denkweise angenommen, so war ich nicht ganz korrekt: es gibt ein paar sehr bemerkenswerte Ausnahmen, und zwar gerade unter den Männern, die am meisten zum Aufbau der Quantentheorie beigetragen haben. Planck selbst gehörte zu den Skeptikern bis zu seinem Tode. Einstein, de Broglie und Schrödinger haben nicht aufgehört, das Unbefrie= digende der statistischen Interpretation der Quantenmechanik zu betonen und die Rückkehr zu den Vorstellungen der klassischen, New tonschen Physik zu fordern und Wege vorzuschlagen, wie dies ohne Widerspruch gegen die experimentellen Tatsachen gemacht werden könnte. Man kann so gewichtige Stimmen nicht ungehört lassen. Niels Bohr hat sich viel Mühe gegeben, die Einwände zu widerlegen. Auch ich habe über sie nachgedacht und glaube, einiges zur Klärung der Sachlage beitragen zu können. Es handelt sich hier um das Grenzgebiet zwischen Physik und Philosophie,und so wird mein physikalischer Vortrag zum Teil historisch, zum Teil philosophisch gefärbt sein, wofür ich Ihre Nachsicht erbitte.
Die Quantenmechanik ist eine der wichtigsten Theorien der modernen Physik.Mit ihr lassen sich nicht nur grundlegende Phänomene wie z.B. das Emissionsspektrum von Atomen oder die Stabilität von Materie erklären, sondern sie steckt auch in vielen technischen Anwendungen vom MP3-Player bis zum Tunnelmikroskop, und in Zukunft werden wir vermutlich Technologien wie Quantenkryptographie oder Quantencomputer mit großer Selbstverständlichkeit einsetzen.Die Kenntnis der Quantenmechanik ist daher nicht nur ein Schlüssel für das Verständnis unserer Welt, sondern unabdingbar für die Entwicklung moderner Technologien.Folgerichtig wird die Quantenmechanik heute oft schon in der Schule gelehrt; in jedem Fall jedoch an Universitäten, wo sie in den meisten Naturwissenschaften und auch in vielen Ingenieurwissenschaften zum Curriculum gehört.Eine große Hürde bei der Vermittlung und damit auch auf dem Weg zum Verständnis der Quantenmechanik ist nun nicht, wie man etwa vermuten könnte, die Mathematik, auch wenn diese an der einen oder anderen Stelle sicherlich einige Herausforderungen beinhaltet, sondern die Sprache.Der Grund dafür liegt darin, dass Sprache kein gegebenes Konstrukt ist, welches unabhängig vom Menschen und dessen Wissen über die Welt existiert, sondern sich vielmehr im Laufe der Menschheitsgeschichte durch die Auseinandersetzung des Menschen mit seiner Umwelt entwickelt hat.Sprache ist damit auch immer ein Abbild der Welt, so wie sie der Mensch wahrnimmt.Und dass diese Wahrnehmung gelegentlich trügt, wissen wir spätestens seit Einstein, der uns gezeigt hat, dass unsere Vorstellung von Raum und Zeit nicht der physikalischen Wirklichkeit entspricht.Die Quantenmechanik führt uns nun, mehr noch als die Relativitätstheorie, weg von den uns vertrauten Vorstellungen von der physikalischen Wirklichkeit.Damit verliert aber auch die Sprache ihre Legitimation als ein Werkzeug zur Beschreibung der Quantenmechanik.Streng genommen verbleibt als einzig legitimer Zugang zur Quantenmechanik daher die Mathematik.Mit ihr lassen sich, aufbauend auf einer Handvoll Axiome, alle Gesetze der Quantenmechanik ableiten und damit alle physikalischen Beobachtungen korrekt und widerspruchsfrei beschreiben.Allerdings sind diese Axiome, im Gegensatz zu z.B. denen der Newton'schen Mechanik, alles andere als unmittelbar einsichtig.Um daher auch solchen Leserinnen und Lesern den Zugang zur Quantenmechanik zu ermöglichen, welche die Quantenmechanik nicht als Teildisziplin der Mathematik oder der theoretischen Physik betreiben wollen, werden wir in diesem Buch trotz aller Gefahren den Weg der Sprache und der Bilder beschreiten.Dabei gehen wir von wenigen einfachen Schlüsselexperimenten aus, mit denen sich die Grundgleichungen der Quantenmechanik anschaulich begründen lassen.Im Gegensatz zu vielen anderen Lehrbüchern greifen wir jedoch nicht auf das berühmte Doppelspaltexperiment mit Elektronen oder das Experiment von Stern-Gerlach zurück, sondern wir arbeiten in den ersten Kapiteln ausschließlich mit einem Interferometer und Polarisationsfiltern
In den letzen zwei Jahrzehnten sind erhebliche theoretische und experimentelle Anstrengungen zur Erforschung und Entwicklung von mesoskopischen Bauteilen, die Quantenkohärenz auf der Nanometerskala nutzen, unternommen worden. Das Quantenrechnen stellt ein neues und vielversprechendes Gebiet der Wissenschaft und Technik dar und ist derzeit Gegenstand von umfassenden Untersuchungen. Ein fundamentales Hindernis bei der Realisierung eines Quantencomputers ist sicherlich Dekohärenz. Es ist die Interaktion mit der Außenwelt, die letztendlich die Effizienz eines quantenmechanischen Bauteils begrenzt. Um aber effektive Quantenalgorithmen implementieren zu können, ist es notwendig, dass die Bausteine mit der Umgebung kommunizieren. Es ist daher notwendig, volle Kontrolle über die ablaufenden Prozesse zu erlangen und die unerwünschten Wechselwirkungen auf ein Minimum zu reduzieren. Die Entwicklung von Kontroll- und Auslesealgorithmen befindet sich derzeit noch immer auf einer elementaren Ebene. Viele Aspekte der Kommunikation zwischen Quantensystemen untereinander sowie mit ihrer Umgebung bedürfen auch weiterhin grundlegender Untersuchungen. In dieser Arbeit befassen wir uns im Wesentlichen mit zwei grundlegenden Themen: Dem Kontrollieren und Auslesen von Quantenbits. Wir wenden unser Hauptaugenmerk auf einen speziellen Typus supraleitender Zwei-Zustandssysteme (d.h. Qubits), dem sogenannten Flussqubit (flux qubit). Dieses ist prädestiniert als fundamentaler Baustein für die Realisierung von skalierbaren, auf supraleitender Technologie basierenden Quantencomputern.
Selbst die Lösung der vergleichsweise einfachen zeitunabhängigen Schrödinger-Gleichung erfordert meist komplizierte mathematische Verfahren. Jedoch ist die Quantenmechanik die Theorie, die der experimentellen Realität am nächsten kommt. Daher müssen wir hier ihre Verfahren und Anwendungen kennenlernen, wenn wir überhaupt ein Verständnis der modernen Physik gewinnen wollen. Wir werden sehen, daß wir sogar mit wenig Mathematik den Gedanken folgen können, die zu den größten Leistungen der Quantenmechanik geführt haben.
In den letzten Jahren wurden bei der Kontrolle von Quantenzuständen einzelner Atome, Moleküle und Spins in Festkörpern bahnbrechende Erfolge erzielt, und sogar quantenmechanische Verschränkung zwischen einzelnen Quantenobjekten beobachtet. Für eine Nutzbarmachung in Quantentechnologien, wie Quantensimulation oder Quantencomputing ist die Skalierung auf größere Teilchenzahlen die zentrale Herausforderung. Dabei stellen zu einer Dekohährenz des Quantenzustands führende Kopplungen an die Umgebung die größte Schwierigkeit dar. Die vorliegende Habilitationschrift umfasst wissenschaftliche Arbeiten, welche diese ungelösten Probleme auf zwei Arten adressieren. Zum einen werden neue Wege vorgestellt, wie sich durch die kohärente Kontrolle von Vielteilchensystemen der Einfluss von Dekohärenzprozessen mindern lässt. Zum anderen wird, wie sich kontrollierte Dissipationskanäle ausnutzen lassen, um Vielteilchenzustände mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu erzeugen.
In einer vollständigen Theorie gibt es zu jedem Element der Realität stets ein entsprechendes Element. Eine hinreichende Bedingung für die Realität einer physikalischen Größe ist die Möglichkeit, sie mit Sicherheit vorherzusagen, ohne das System zu stören. In der Quantenmechanik schließt im Falle von zwei physikalischen Größen, die durch nicht-kommutierende Operatoren beschrieben werden, das Wissen von der einen das Wissen von der anderen aus. Dann ist entweder (1) die Beschreibung der Realität, die durch die Wellenfunktion in der Quantenmechanik gegeben wird, nicht vollständig oder (2) diesen beiden Größen kann nicht gleichzeitig Realität zukommen. Die Betrachtung des Problems, Vorhersagen bezüglich eines Systems auf der Grundlage von Messungen zu machen, die an einem anderen System, das zuvor mit dem ersteren in Wechselwirkung stand, ausgeführt wurden, führen auf das Ergebnis, daß wenn (1) falsch ist, dann auch (2) falsch ist. Man wird so zu dem Schluß geführt, daß die Beschreibung der Realität, wie sie von der Wellenfunktion geleistet wird, nicht vollständig ist.