Dekohärenzzeiten

Dekohärenzzeit bezeichnet die charakteristische Zeit, in der die Quantenkohärenz eines Systems durch Wechselwirkungen mit der Umgebung verloren geht. In der Beschreibung eines offenen Quantensystems fallen die Off-Diagonal-Elemente der Dichtematrix mit der Zeit ab, was den Verlust von Phasenbeziehungen bedeutet. Üblicherweise unterscheiden man T2, die reine Dephasierungszeit, von T2* (inklusive inhomogener Breite) und T1, der Relaxationszeit, die den Energieaustausch mit dem Umfeld beschreibt.

Ursachen der Dekohärenz sind Fluktuationen und Rauschen des Umgebungskörpers, Kopplungen an spinaktive Spuren, Ladungs- oder Spinrauschen sowie Bewegungs- oder Netzrauschen. T2* enthält zusätzlich unsystematische Unterschiede zwischen einzelnen Teilchen (inhomogene Breitungen) und ist daher meist kleiner als T2. Die Messung erfolgt typischerweise mit Ramsey-Experimenten (liefert T2*), Spin-Echo-Experimenten (liefert T2) oder fortgeschrittenen Dynamischen-Dephasierungstechniken.

Die Größenordnung der Dekohärenzzeiten variiert stark je nach System. In Kernspin- oder Atom-/Ionenquantenbits reichen T2 oft von Millisekunden bis Sekunden oder länger, besonders bei sorgfältig isolierten Systemen. In Festkörperqubits wie supraleitenden Schaltkreisen oder Quantenpunkten liegen T2-T2-Werte typischerweise im Mikrosekunden- bis Millisekundenbereich. Bei NV-Zentren in Diamant können T2-Werte von Mikrosekunden bis Millisekunden auftreten; unter optimalen Bedingungen und mit Dekoupling auch deutlich länger.

Zur Verlängerung der Kohärenz werden Materialverbesserungen (Isotopenreinigung, Reduktion von Störspuren), dynamische Dekouplungstechniken (CPMG, XY-4, fortgeschrittene Sequenzen) sowie Quantenfehlerkorrektur oder Cavitiy-/Kopplungseffekte eingesetzt. Dekohärenzzeiten sind eine zentrale Größe für Quantencomputing, Quantenmessung und Sensorik, und bestimmen maßgeblich die Leistungsgrenze aktueller Systeme.