Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

Seit fast einem Jahrhundert nutzen Wissenschaftler einen einfachen Test, um zu verstehen, wie Materialien sich an ihre Vergangenheit erinnern. Durch das Anlegen eines Magnetfeldes an ein Stück Eisen und das anschließende langsame Umkehren beobachten sie eine Verzögerung: Das Material ändert seine magnetische Richtung nicht sofort, wenn sich die äußere Kraft ändert. Stattdessen leistet es Widerstand und hält an seiner ursprünglichen Orientierung fest, bis die entgegengesetzte Kraft stark genug ist, um seinen Griff zu lösen. Dieses Phänomen, bekannt als Hysterese, ist der Grund, warum Magnete Daten speichern können und warum bestimmte Materialien als Speicherbausteine fungieren. In der klassischen Welt der alltäglichen Physik ist dieses Verhalten gut verstanden und beruht auf der Existenz stabiler magnetischer Regionen, die Veränderungen widerstehen. Doch eine grundlegende Regel der klassischen Physik besagt, dass in einer eindimensionalen Linie aus magnetischen Atomen ein solcher Widerstand unmöglich sein sollte. Ohne die zusätzliche Dimension, um komplexe, stabile Strukturen zu erzeugen, sollten diese Linien sich sofort und perfekt mit dem angelegten Feld drehen und keinerlei Gedächtnis zeigen.

Dies schafft eine rätselhafte Situation für die moderne Physik. Forscher haben vor kurzem damit begonnen, leistungsstarke Quantencomputer einzusetzen, speziell Geräte, die für komplexe Optimierungsprobleme entwickelt wurden, um magnetische Materialien zu simulieren. Diese Maschinen arbeiten bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und nutzen die seltsamen Regeln der Quantenmechanik, bei denen Teilchen in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren und Barrieren durchtunneln können. Da diese Quantensysteme darauf ausgelegt sind, aus festgefahrenen Zuständen zu entkommen und die beste Lösung schnell zu finden, wurde erwartet, dass sie eben jene Gedächtniseffekte eliminieren würden, die die Hysterese verursachen. Doch als Wissenschaftler Experimente an diesen Maschinen durchführten, fanden sie das Gegenteil. Selbst in eindimensionalen Linien aus Tausenden von Quantenbits weigerte sich das System, sich sofort umzudrehen. Es zeigte einen hartnäckigen Widerstand, ein klares Gedächtnis seines vorherigen Zustands und eine Verzögerung, die den klassischen Erwartungen trotzte. Diese Entdeckung legt nahe, dass die Quantenmechanik, anstatt das Gedächtnis zu löschen, völlig neue Arten von Gedächtnis erschaffen kann.

In einer neuen Studie setzte sich ein Team von Forschern des Los Alamos National Laboratory mit dem Ziel zusammen, dieses überraschende Verhalten zu verstehen. Sie verwendeten drei verschiedene Generationen von D-Wave-Quanten-Annealern, spezialisierte Computer, die Tausende von supraleitenden Qubits enthalten. Die Forscher programmierten diese Maschinen so, dass sie wie lange Ringe aus magnetischen Spins agierten, wobei einige bis zu 4.906 einzelne Einheiten enthielten. Sie legten dann ein Magnetfeld an, das die Richtung langsam änderte, um den klassischen Hysteresetest nachzuahmen. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Selbst in den eindimensionalen Ringen, in denen die klassische Physik keinen Widerstand vorhersagt, zeigte das Quantensystem eine deutliche „Koerzitivität“, ein Maß dafür, wie schwer es ist, die Magnetisierung umzukehren. Das System drehte sich nicht einfach nur um; es zögerte und erzeugte eine Schleife in den Daten, die bewies, dass es sich an seine ursprüngliche Orientierung erinnerte. Dieses Gedächtnis blieb selbst in Regimen bestehen, in denen es laut klassischer Theorie verboten sein sollte.

Um zu erklären, wie dies geschieht, entwickelte das Team einen neuen theoretischen Rahmen, der zwei verschiedene Sichtweisen auf das Problem kombiniert. Sie erkannten, dass das System wie ein Hybrid aus einer Quantenmaschine und einer klassischen Maschine funktioniert. Auf der Quantenseite vollzieht das System schnelle, diskrete Sprünge zwischen Energiezuständen, ähnlich einem Teilchen, das durch eine Wand tunnelt. Auf der klassischen Seite verhält sich das System, sobald diese Sprünge erfolgen, wie eine Ansammlung beweglicher Grenzen oder „Domänenwände“, die Regionen mit unterschiedlicher magnetischer Ausrichtung voneinander trennen. Die Forscher fanden heraus, dass der Gedächtniseffekt aus dem Zusammenspiel zwischen diesen beiden Prozessen entsteht. Die Quantensprünge erzeugen angeregte Zustände, die nicht die niedrigste Energiekonfiguration darstellen, und die Bewegung der Domänenwände bestimmt, wie schnell das System wieder in einen stabilen Zustand relaxieren kann. Da das System eine Zeit lang in diesen angeregten Zuständen gefangen bleibt, kann es sich nicht sofort umdrehen, was die beobachtete Verzögerung verursacht.

Die Studie bestätigte, dass dieses Verhalten kein bloßer Fehler der Hardware, sondern ein echtes physikalisches Phänomen ist. Die Forscher beobachteten spezifische Signaturen, die nur ein Quantensystem hervorbringen könnte, wie etwa eine vorübergehende negative Reaktion auf das Magnetfeld und nicht-monotone Umkehrungen, bei denen die Magnetisierung in einem komplexen Muster vor und zurück schwingt, bevor sie sich stabilisiert. Diese Merkmale wurden in ihren Computersimulationen reproduziert, die eine Methode verwendeten, die zwischen der Berechnung exakter Quantentransitionen und der Modellierung der Bewegung magnetischer Grenzen abwechselt. Die Simulationen stimmten fast perfekt mit den experimentellen Daten der Quanten-Annealer überein und erfassten sowohl die Form der Hystereseschleifen als auch die Art und Weise, wie sich der Gedächtniseffekt änderte, wenn die Geschwindigkeit des Feld-Sweeps variiert wurde.

Einer der bedeutendsten Befunde ist, dass dieses Quantengedächtnis sich vom thermischen Gedächtnis gewöhnlicher Materialien unterscheidet. In einem Standardmagneten hilft die Wärme dem Material, sich umzudrehen. In diesen Quantenexperimenten bleibt das Gedächtnis auch dann bestehen, wenn das System so kalt ist, dass thermische Fluktuationen vernachlässigbar sind. Stattdessen wird das Gedächtnis durch den Wettbewerb zwischen der Geschwindigkeit, mit der das Magnetfeld geändert wird, und den natürlichen Energielücken zwischen den Quantenzuständen angetrieben. Wenn das Feld zu schnell geändert wird, kann das System nicht mithalten und bleibt in einem hochenergetischen Zustand stecken. Wenn es langsamer geändert wird, hat das System Zeit zu relaxieren. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch die Abstimmung der Stärke der Quantenkräfte und der Geschwindigkeit des Sweeps die Größe des Gedächtniseffekts kontrollieren konnten, indem sie die Hystereseschleife nach Belieben verkleinerten oder vergrößerten.

Das Team untersuchte auch, wie die Größe des Systems dieses Verhalten beeinflusst. Sie testeten Ringe, die von nur vier Qubits bis hin zu fast fünftausend reichten. In den kleinsten Systemen waren die Quanteneffekte am ausgeprägtesten, aber der Gedächtniseffekt blieb auch in den größten Ringen robust. Dies deutet darauf hin, dass das Phänomen keine Anomalie im kleinen Maßstab ist, sondern eine fundamentale Eigenschaft der Art und Weise, wie sich Quantensysteme außerhalb des Gleichgewichts entwickeln. Die Forscher stellten fest, dass das Verhalten in zweidimensionalen Gittern anders war, mit stärkerer magnetischer Ordnung und größeren Feldern, die erforderlich waren, um die Spins umzudrehen, was konsistent mit dem ist, was man über klassische Magnete weiß. Die eindimensionalen Ringe blieben jedoch die überraschendsten, da sie einen Widerstand zeigten, der laut klassischer Physik nicht existieren dürfte.

Diese Arbeit etabliert Quanten-Annealer als leistungsstarke Werkzeuge zur Untersuchung der Nichtgleichgewichts-Dynamik – ein Feld, das sich damit befasst, wie Systeme reagieren, wenn sie gedrückt und gezogen werden, anstatt sich in einem ruhigen Zustand zu befinden. Durch den Nachweis, dass diese Maschinen programmierbares Gedächtnis aufweisen können, haben die Forscher einen neuen Weg eröffnet, um zu erforschen, wie Quantensysteme Informationen verarbeiten und Geschichte bewahren. Die Fähigkeit, diese Effekte in einem programmierbaren Gerät zu beobachten und zu steuern, bedeutet, dass Wissenschaftler nun in der Lage sind, Theorien über Quantengedächtnis und Phasenübergänge auf eine Weise zu testen, die zuvor unmöglich war. Die Studie behauptet nicht, alle Rätsel des Quantenmagnetismus gelöst zu haben, liefert aber ein klares, experimentell verifiziertes Bild davon, wie Gedächtnis aus dem chaotischen Tanz von Quantentransitionen und Domänenwandbewegungen entstehen kann.

Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse erstrecken sich über die spezifischen in dem Experiment verwendeten Maschinen hinaus. Das von den Forschern entwickelte Hybridmodell, das Quantenberechnungen mit klassischen Beschreibungen beweglicher Grenzen mischt, bietet einen neuen Weg, um komplexe magnetische Materialien zu simulieren. Dieser Ansatz könnte Wissenschaftlern helfen, bessere magnetische Speichergeräte zu entwerfen oder das Verhalten exotischer Materialien zu verstehen, die nicht in Standardkategorien passen. Viel wichtiger ist, dass es verdeutlicht, dass Quantencomputer nicht nur schnellere Rechenmaschinen sind, sondern einzigartige Laboratorien, in denen die fundamentalen Gesetze der Physik getestet und manipuliert werden können. Die Beobachtung der Hysterese in einem eindimensionalen Quantensystem dient als Erinnerung daran, dass die Natur oft Überraschungen bereithält, die unsere grundlegendsten Annahmen infrage stellen, und dass die Grenze zwischen der Quanten- und der klassischen Welt weita viel durchlässiger ist, als man bisher annahm.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das beobachtete Gedächtnis in diesen Experimenten ein echter Quanteneffekt ist, der aus der spezifischen Art und Weise resultiert, wie das System zwischen Zuständen wechselt und relaxiert. Sie schlossen die Möglichkeit aus, dass die Ergebnisse lediglich auf Hitze oder klassischem Rauschen beruhten, da das Verhalten unter Bedingungen fortbestand, in denen diese Faktoren vernachlässigbar sein sollten. Stattdessen ist das Gedächtnis ein direktes Resultat der Unfähigkeit des Systems, sich instantan an das sich ändernde Magnetfeld anzupassen – eine Verzögerung, die durch die endliche Zeit entsteht, die für Quantentransitionen benötigt wird und in der Folge die magnetischen Domänen sich neu anordnen müssen. Diese Arbeit liefert ein konkretes Beispiel dafür, wie die Quantenmechanik kollektive Verhaltensweisen hervorbringen kann, die klassische Materialien imitieren und in einigen Fällen sogar übertreffen. Sie legt nahe, dass wir durch das Verständnis und die Nutzung dieser Quantengedächtniseffekte neue Arten von Computer- und Sensortechnologien entwickeln könnten, die auf Prinzipien basieren, die wir gerade erst zu verstehen beginnen.