Quantensystemen

Quantensysteme bezeichnet in der Physik Systeme, deren dynamische Eigenschaften durch die Quantenmechanik beschrieben werden. Im Gegensatz zu klassischen Systemen zeigen sie Merkmale wie Superposition, Messunsicherheit und Quantisierung von Größen wie Energie oder Drehimpuls.

Der Zustand eines Quantensystems wird durch einen Vektor im Hilbert-Raum beschrieben. Zustände entwickeln sich gemäß der Schrödinger-Gleichung bzw. der zeitlichen Evolution eines Hamiltonoperators. Messwerte werden durch Operatoren repräsentiert; die Ergebnisse entsprechen Eigenwerten mit Wahrscheinlichkeiten, die durch die Born-Regel gegeben sind. Messungen können den Zustand verändern; in verschränkten Systemen zeigen sich Korrelationen, die sich nicht durch lokale Eigenschaften erklären lassen.

Typische Quantensysteme sind der Spin eines Elektrons oder eines Kerns, die Polarisationszustände von Photonen, Quantenniveaus einzelner Atome oder Ionen in Ionenkäfigen und supraleitende Quantenbits. In mehrteiligen Systemen können Zustände verschränkt sein, wodurch die Messwerte auch über entfernte Teilsysteme hinweg korreliert bleiben.

Quantensysteme bilden die Grundlage der Quanteninformation, Quantenkommunikation und Quantenmetrologie. Quantencomputer nutzen Superposition und Verschränkung zur Verarbeitung von Informationen, Quantenkryptografie bietet theoretisch unumgehbare Sicherheitsgarantien, und Präzisionsmessungen erreichen verbesserte Empfindlichkeiten. Herausforderungen bestehen in der Dekohärenz, Fehlerraten und Skalierbarkeit. Aktuelle Forschungen zielen auf robuste Kopplungen, Fehlerkorrekturcodes und neue Plattformen wie gefangene Ionen, Neutralatome und supraleitende Qubits.