Quantenkontrolle

Quantenkontrolle ist ein interdisziplinäres Forschungsfeld, das darauf abzielt, die Dynamik quantenmechanischer Systeme durch gezielte äußere Einwirkungen zu steuern. Typische Ziele sind die Vorbereitung bestimmter Quantenzustände, die Implementierung logischer Quanten-Gatter und die Maximierung der Güte von Operationen trotz Störungen. Die theoretische Grundlage bildet oft ein zeitabhängiger Hamiltonian H(t); die Systemdynamik wird über die Schrödinger-Gleichung oder die Liouville-von-Neumann-Gleichung beschrieben.

Zu den gängigen Modellen gehört die Beschreibung offener oder geschlossener Systeme, wobei Control-Felder wie Laserpulse oder elektromagnetische Felder als Stellgrößen wirken. Ziel ist es, durch Optimierung der Kontrollfelder gewünschte Endzustände oder Gate-Operationen mit geringer Fehlerquote zu erreichen. Wichtige Methoden sind offene und geschlossene Regelkreise, wobei offene Loop-Ansätze Pulsformen festlegen und geschlossene Loop-Ansätze Messungen und Feedback integrieren. In der Praxis kommen Optimierungstechniken aus der Optimalen Kontrolle zum Einsatz, darunter GRAPE (Gradient Ascent Pulse Engineering), die Krotov-Methode und CRAB (Chopped Random Basis). Coherent control nutzt ausschließlich kontrollierte Felder, während measurement-based Feedback Messungen nutzt, um die Steuerung anzupassen. Weitere Konzepte sind STIRAP (Stimulated Raman Adiabatic Passage) und Shortcuts to Adiabaticity, die schnelle, zugleich robuste Staatsüberführungen ermöglichen.

Anwendungen finden sich in der Quanteninformationsverarbeitung, der Quantenchemie, der Präzisionsspektroskopie und der Steuerung von Molekülen, Ultrakalten Atomen sowie supraleitenden oder Ionen-Qubits. Zu den Herausforderungen gehören Rausch- und Dekohärenzeffekte, Robustheit gegen Modellunsicherheiten, Skalierbarkeit und die Realisierung optimierter Pulse in Experimenten.