Schwache Messungen von Quanteneffekten in elektronischen Nanostrukturen

• Antragsteller: Dr. Alessandro Romito
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243616108

Messprozesse sind von zentraler Bedeutung für die Kontrolle und Manipulation von nanoskaligen Festkörpersystemen. Die Beschreibung eines solchen Messprozesses in Nanostrukturen geht dabei über das bekannte Projektionspostulat hinaus. Hierbei wird die Messung nämlich als kontinuierliche Anreicherung von Information durch den Detektor beschrieben, während sich der Zustand des Systems nur allmählich ändert. Man spricht von dem sogenannten schwachen Regime mit parametrisch kleiner Kopplung von Detektor und System. Besonders eindrucksvoll ist dabei das Ergebnis einer schwachen Messung in Abhängigkeit von einer darauffolgenden starken Messung (Postselektion), welches als schwacher Messwert bezeichnet wird. Schwache Messwerte unterscheiden sich grundlegend von den gewöhnlichen Messwerten, indem sie auch negative oder komplexe Werte annehmen können (aufgrund von Quantenkorrelationen), wohingegen das gewöhnliche Messergebnis stets positiv ist. Schwache Messwerte wurden bereits in optischen Systemen experimentell nachgewiesen. Sie wurden benutzt um grundlegende Probleme der Quantenmechanik zu untersuchen, und wurden für Präzisionsmessungen in der Optik eingesetzt. Daneben gibt es auch verwandte Vorschläge für Festkörpersysteme. Das volle Potential von schwachen Messungen und schwachen Messwerten für die Messung von Quantenprozessen ohne dabei den Zustand wesentlich zu zerstören, wurde bislang allerdings noch nicht ausgeschöpft. Eine solche Messung würde aber zusätzliche Einsichten über die Quantensysteme liefern, die mit der gewohnten starken Messung nicht zugänglich sind.Dieser Antrag hat das Ziel, das Konzept der schwachen Messung in die folgenden Richtungen weiterzuentwickeln. Er konzentriert sich auf elektronische Nanostrukturen, die, obwohl experimentell schwieriger umzusetzen, natürliche Kandidaten für quantenmechanische Vielteilcheneffekte sind, die durch starke Messungen nicht nachgewiesen werden können (da diese den Zustand zerstören würden). Die schwache Kopplung zwischen Detektor und System ermöglicht in diesem Fall neue Einsichten in die zugrundeliegende Physik. Der Antrag enthält konkrete Beispiele, die als Grundlage für neue Experimente dienen können. Als ersten Schritt betrachten wir den schwachen Nachweis des ``virtuellen''Kotunnelns, wobei über das Protokoll des schwachen Messwerts eine Definition der Kotunnelzeit ermöglicht wird. Auf ähnliche Weise werden wir auch die schwache Detektion von adiabatischen Quantenprozessen und getriebenen Quantensystemen betrachten, wobei mittels schwacher Messwerte der Begriff der Arbeit für ein Quantensystem, das gegebenfalls an die Umgebung gekoppelt ist, definiert werden kann. Als möglichen weiteren Schritt in diesem Projekt planen wir schwache Messungen auch zum Nachweis von topologischen Anregungen, und der nicht-abelschen Statistik bei deren Austausch (Braiding), am Fall von Majorana-Endzuständen in supraleitenden eindimensionalen Quantendrähten zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen