Verbesserte Quantensteuerung dank Mathematik

Für zahlreiche Anwendungen einschließlich hochgenauer Mess- und Steuerungstechnik, zum Rechnen und zur Lichterzeugung werden Quantensysteme entwickelt. EU-finanzierte Wissenschaftler wollten mit ihrer Arbeit an dem Projekt "Quantum control and error correction with discrete and continuous variables" (QCEC) neuartige Methoden entwickeln, die zur Quantenwelt kompatibel sind.

Der Beitrag von QCEC besteht in Resultaten mit bedeutenden Auswirkungen auf die Grundlagen der Quantentheorie, die Quanteninformationsverarbeitung und das fundamentale Problem der Vereinheitlichung der Quantentheorie mit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Eine wichtige Fragestellung untersuchte die kausale Ordnung, eines der grundlegendsten Konzepte unseres Universums und der Zeit, die im Wesentlichen erfordert, dass eine Wirkung der Ursache folgt.

Wissenschaftler berichteten in Nature Communications, dass unter Anwendung eines von ihnen entwickelten neuen Rahmenwerks Quantenkorrelationen ohne kausalen Ordnung auftreten können. Sie wiesen außerdem nach, dass sich in klassischen Grenzen immer kausale Ordnung zeigt, was darauf hindeutet, dass Raum-Zeit aus einer mehr fundamentalen Struktur erwachsen kann. Darauf aufbauend erarbeitete eine umfangreiche Studie eine operationale Formulierung der Quantentheorie ohne vordefinierte Zeit- oder Kausalstruktur. Das Rahmenwerk kann außerdem exotische kausalen Beziehungen beschreiben, von denen man erwartet, dass im Kontext der Quantengravitation existieren.

Ein wichtiger Unterschied bei der Quantensteuerung gegenüber der klassischen Steuerung ist, dass die Messung selbst die Dynamik des Systems ändert und Rauschen sowie nichtlineare Komponenten eingeführt werden. Die Wissenschaftler verzeichneten große Fortschritte in der Quantenrückkopplungssteuerung und -fehlerkorrektur, wobei neue Instrumente zur Manipulation der Quanteninformation und deren Schutz vor Rauschen bereitgestellt wurden.

Die Entwicklung von Quantenbauelementen für eine Vielzahl von Anwendungen in Grundlagenforschung und Industrie ist zum Schwerpunkt von immer mehr Forschungsgebieten geworden. Die QCEC-Resultate in Bezug auf kausale Ordnung, Rückkopplungssteuerung und Fehlerkorrektur in Quantensystemen sind äußerst wichtig und relevant. Schon in der nahen Zukunft sind aufregende neue Entdeckungen und Entwicklungen zu erwarten.