Phasenübergänge, wie der Übergang von Wasser in den festen Zustand, sind ein integraler Bestandteil unserer Welt. In Quantensystemen können sie jedoch noch spektakulärer sein, da Quanteneigenschaften wie die Heisenbergsche Unschärfe eine große Rolle spielen. Darüber hinaus können verschiedene parasitäre Effekte dazu führen, dass die Systeme Energie an die Umgebung verlieren oder abgeben. Wenn sie auftreten, führen diese "dissipativen Phasenübergänge" (DPT) die Quantensysteme in neue Zustände.
Es gibt verschiedene Arten oder "Befehle" von DPTs. TPDs erster Ordnung kommen dem Betätigen eines Schalters gleich und führen zu abrupten Sprüngen von einem Zustand in den anderen. DPTs zweiter Ordnung sind sanfter, aber immer noch transformativ und verändern eine der globalen Eigenschaften des Systems, die Symmetrie genannt wird, auf subtile, aber tief greifende Weise.
TPDs sind entscheidend für das Verständnis des Verhaltens von Quantensystemen unter Bedingungen außerhalb des Gleichgewichts, wo auf der Thermodynamik basierende Argumente oft keine Antworten liefern. Über die bloße Neugier hinaus hat dies praktische Auswirkungen auf die Entwicklung robusterer Quantencomputer und -sensoren. Beispielsweise könnten DPTs zweiter Ordnung die Speicherung von Quanteninformationen verbessern, während DPTs erster Ordnung wichtige Mechanismen für die Stabilität und Kontrolle des Systems offenbaren.
In der Theorie weisen DPTs spezifische Eigenschaften wie Verlangsamung und Bistabilität auf, die bei bestimmten Leistungsgesetzskalen auftreten. Bisher stellte ihre Beobachtung ein großes wissenschaftliches Hindernis dar, insbesondere bei DPTs zweiter Ordnung.
Doch jetzt hat ein Team von Forscherinnen und Forschern genau das getan. Unter der Leitung von Pasquale Scarlino von der EPFL haben sie einen supraleitenden Kerr-Resonator entwickelt, d.h. ein Gerät mit kontrollierbaren Quanteneigenschaften. Sie haben ihn so konstruiert, dass er einem Zwei-Photonen-Training unterzogen wird, bei dem Photonenpaare in das System geschickt werden, um seinen Quantenzustand sorgfältig zu kontrollieren und zu untersuchen, wie er zwischen den verschiedenen Phasen wechselt.
Durch systematische Variation von Parametern wie der Verstimmung und der Trainingsamplitude konnten sie die Übergänge des Systems von einem Quantenzustand in einen anderen untersuchen. Mit diesem Ansatz konnten sie sowohl einen DPT erster Ordnung als auch einen DPT zweiter Ordnung beobachten.
Um die Genauigkeit zu gewährleisten, wurden die Experimente bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt durchgeführt, wodurch das Hintergrundrauschen auf ein Minimum reduziert wurde. Der Kerr-Resonator spielte eine große Rolle, da er Quanteneffekte verstärken kann, die oft zu subtil sind, um beobachtet zu werden. Da er auf Zwei-Photonen-Signale mit extremer Empfindlichkeit reagieren kann, konnten die Forscherinnen und Forscher mit ihm Phasenübergänge mit beispielloser Genauigkeit erforschen, was mit herkömmlichen Konfigurationen einfach nicht möglich ist.
Die Anlage ermöglichte es dem Team, das Verhalten der vom Resonator emittierten Photonen mit Hilfe hochempfindlicher Detektoren zu überwachen. Mithilfe fortgeschrittener mathematischer Techniken, wie der Verknüpfung mit den spektralen Eigenschaften des Liouvillianischen Superoperators, einem Werkzeug zur Modellierung komplexer Quantenprozesse, konnten die Wissenschaftler die Phasenübergänge des Systems genau verfolgen und analysieren.
Bei der DPT zweiter Ordnung beobachtete das Team ein Phänomen namens "Squeezing", bei dem die Quantenfluktuationen auf Werte unterhalb des natürlichen Hintergrunds des leeren Raums fallen, was signalisiert, dass das System einen hochsensiblen und transformativen Zustand erreicht hat. Gleichzeitig zeigte die DPT erster Ordnung deutliche Hysteresezyklen, bei denen das System in zwei Zuständen existieren konnte, je nachdem, wie die Parameter eingestellt waren.
Zweitens fanden sie eindeutige Beweise für metastabile Zustände während der TPD erster Ordnung, bei denen das System vorübergehend in einem stabilen Zustand verharrte, bevor es abrupt in einen anderen Zustand überging. Dieses Verhalten, das zu einer Abhängigkeit des Systemzustands von seiner Vorgeschichte führt, die Hysterese genannt wird, zeigt, wie DPTs erster Ordnung konkurrierende Phasen beinhalten.
Schließlich beobachteten sie bei beiden Arten von Übergängen eine "kritische Verlangsamung", die die aus theoretischen Überlegungen abgeleitete erwartete Skala reproduzierte. Dies belegt letztlich die Gültigkeit der theoretischen Vorhersagen, die auf der von den Autoren verwendeten Liouville-Theorie basieren. In der Nähe der kritischen Punkte verlangsamte sich die Reaktion des Systems erheblich, was eine universelle Eigenschaft von Phasenübergängen hervorhebt, die für genauere Quantenmessungen genutzt werden könnte.
Das Verständnis von DPTs eröffnet neue Möglichkeiten, Quantensysteme zu entwerfen, die sowohl stabil als auch reaktiv sind. Dies könnte die Quanteninformationstechnologien revolutionieren, wie z. B. die Fehlerkorrektur im Quantencomputer oder die Entwicklung hochempfindlicher Quantensensoren.
Ganz allgemein zeigt diese Forschung die Macht der interdisziplinären Zusammenarbeit, die experimentelle Physik, fortgeschrittene theoretische Modelle und hochmoderne Technik miteinander verbindet, um die Grenzen der Wissenschaft zu erforschen.
"Tatsächlich ist ein sehr interessanter Aspekt dieser Arbeit, dass sie auch zeigt, wie sehr eine enge Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment zu Ergebnissen führen kann, die weit über das hinausgehen, was jede Gruppe unabhängig hätte erreichen können", sagt Guillaume Beaulieu, Hauptautor des Artikels.
