Quantenpartikel und Gedächtnis. Ein Team von Forschern der Harvard University und anderer Institute hat mathematisch beschrieben, wie ein isoliertes Quantensystem auch nach einer chaotischen Evolution Spuren seiner eigenen Herkunft bewahren kann. Die im September in Physical Review X veröffentlichte Studie führt das Konzept der „Quantum Birthmarks“ (Quantengeburtsmerkmale) ein: statistische Abdrücke des Anfangszustands und der ersten Phasen seiner Entwicklung.

Laut den Autoren persistieren diese Spuren in den über sehr lange Zeiträume berechneten mittleren Wahrscheinlichkeiten und setzen damit eine Grenze für den vollständigen Gedächtnisverlust, der von den entsprechenden klassischen Modellen vorhergesagt wird. Der Vergleich betrifft die Ergodizität, eine zentrale Eigenschaft in der statistischen Beschreibung physikalischer Systeme.

Quantenpartikel und Gedächtnis: Warum das wichtig ist

In einem klassischen ergodischen System erkundet eine Trajektorie im Laufe der Zeit die zugänglichen Konfigurationen gemäß der geeigneten Verteilung: Die Langzeitmittel verlieren so ihre Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen. Die Arbeit, geleitet von Anton M. Graf mit Joonas Keski-Rahkonen unter den Autoren, analysiert, was geschieht, wenn diese Erwartung auf einen sich im Laufe der Zeit ändernden Quantenzustand angewendet wird.

Das von den Forschern beschriebene Gedächtnis erscheint als eine höhere Wahrscheinlichkeit, den Anfangszustand oder die während seiner Evolution durchlaufenen Zustände wiederzufinden, im Vergleich zu Referenzzuständen mit äquivalenten energetischen Eigenschaften. Ein Wellenpaket, also eine zunächst lokalisierte quantenmechanische Beschreibung, kann sich somit ausbreiten und dennoch diese statistische Präferenz beibehalten.

Der Begriff „erinnern“ bezeichnet hier die messbare Eigenschaft der Wahrscheinlichkeiten und nicht eine Aufzeichnung der Vergangenheit im Sinne des menschlichen Gedächtnisses. In isolierten Quantensystemen kann Chaos einen Zustand ausbreiten, ohne die statistischen Spuren seiner Herkunft und seiner anfänglichen Evolution zu löschen.

Das Modell trennt den Effekt in zwei Komponenten: Ein universeller Faktor hängt von den Symmetrien des Systems ab und bestimmt eine minimale Persistenz des Abdrucks, während ein zweiter Beitrag aus den Anfangsrezurrenzen entsteht, wenn die Evolution den Zustand zurück zu bereits besuchten Konfigurationen führt. Diese Rückkehren verlangsamen die Erkundung neuer Regionen des Phasenraums – der Menge aller möglichen Kombinationen von Position und Impuls – und verstärken die Spur, die von der Anfangshistorie hinterlassen wird.

Zur Veranschaulichung des Ergebnisses führte die Gruppe numerische Berechnungen für ein Teilchen in einem stadienförmigen Gefängnis durch, ein Modell, das im Studium des Chaos verwendet wird. Die mittlere Verteilung der Wahrscheinlichkeit, es an verschiedenen Positionen zu finden, bewahrt Strukturen, die mit der Anfangsvorbereitung und der ersten Bewegung verbunden sind.

Was ändert sich und welche Effekte gibt es?

Die Forschung kombiniert mathematische Beweise und Simulationen, ohne eine neue experimentelle Beobachtung des Phänomens vorzulegen. Im Modell können Quantennarben den Abdruck verstärken: Es handelt sich um Strukturen, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit entlang bestimmter periodischer Bahnen des entsprechenden klassischen Systems verbunden sind. Der vorgeschlagene Rahmen erweitert die Analyse jedoch über diese Sonderfälle hinaus und schließt generische nicht-stationäre Zustände ein.

Dadurch verschiebt sich der Fokus von den Eigenschaften einzelener Zustände mit definierter Energie zur dynamischen Geschichte eines vorbereiteten und sich entwickelnden Zustands. Die Autoren beabsichtigen, die Konsequenzen für die Quanten-Thermalisierung zu vertiefen, den Prozess, durch den ein System ein Verhalten entwickelt, das mit dem thermischen Gleichgewicht kompatibel ist. Zu den genannten Richtungen gehören Systeme mit vielen Teilchen, die Wechselwirkung mit der Umgebung und die Identifizierung von Observablen, die experimentell zugänglich sind.

Das Programm umfasst auch die „Quantum Birthplaces“ (Quantengeburtsorte), eine Erweiterung, bei der sich die statistische Präferenz auf einen gesamten Bereich des Zustandsraums bezieht und nicht nur auf einen einzelnen Anfangszustand.

Quelle und weiterführende Informationen zu Quantenpartikel und Gedächtnis: Originalartikel.

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* Inhalt mit Unterstützung von Künstlicher Intelligenz erstellt.