Quantensimulation mit konstruierter Dissipation

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Hemmerich; Professor Dr. Jamir Marino
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499037529

In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei der Implementierung neuartiger Wechselwirkungen mit ultrakalten Atomen erzielt, um exotische Phasen stark korrelierter Materie zu realisieren und gezielt Quantenoperationen durchzuführen. Das Regime starker Wechselwirkungen mit langreichweitigem Charakter ist jedoch noch weitgehend unerforscht. Obwohl bekannt ist, dass durch Austausch von Photonen vermittelte Wechselwirkungen im Prinzip einen Zugang zu diesem Regime ermöglichen, schränkt in der Praxis die unkontrollierte Dissipation durch atomare spontane Emission die Möglichkeiten stark ein. Im vorliegende Projekt ist daher geplant, eine neuartige experimentelle Plattform aufzubauen, die es ermöglicht, Ytterbium-Atome in einem Gitter aus optischen Pinzetten zu speichern und diese präzise kontrolliert in ein Hohlraum-QED Szenario zu integrieren. Während unkontrollierte Spontanemission typischerweise die Genauigkeit kohärenter Operationen in Licht-Materie-gekoppelten Systemen limitiert, soll das neue experimentelle System die Spontanemission als korrelierte Form von Dissipation nutzen, welche gezielt manipuliert oder sogar gänzlich unterdrückt werden kann durch die Möglichkeit, die Atome auf der Subwellenlängenskala gezielt zu positionieren. Wir erwarten eine Steigerung der Genauigkeit von Quantenoperationen (auf 99%) kombiniert mit höchster Flexibilität des Systems im Hinblick auf die Implementation maßgeschneiderter langreichweitiger Wechselwirkungen und kontrollierter Dissipation. Die neue experimentelle Plattform eröffnet daher einzigartige Möglichkeiten für Anwendungen in der Quantensimulation und Metrologie mit der Perspektive zahlreiche neuartige exotische dissipative Formen von Materie zu synthetisieren, zu erforschen und gezielt zu nutzen.Der mit dem geplanten Projekt verbundene wissenschaftliche Fortschritt basiert auf einer Kombination neuer experimenteller Entwicklungen, einem modifizierten Konzept der eingesetzten Licht-Materie-Wechselwirkung, sowie neuen theoretischen Ansätzen, zusammengeführt durch die umfassenden synergetischen Kompetenzen der QuSiED Partner.QuSiED untersucht grundlegende Problemstellungen, wie etwa die Ausbildung dissipativer Phasen ohne thermodynamisches Pendant, sowie Aspekte der Vielteilchen-Quanteninformationswissenschaft, die sich von Fragen des Verschränkungstransports in Gegenwart maßgeschneiderter Dissipation bis hin zu neuen Perspektiven in der Metrologie durch korrelierte Emission erstrecken. Die Realisierung der einzigartigen Pinzetten-QED-Plattform bedeutet einen entscheidenden Vorsprung der EU im Wettlauf um die Vorherrschaft in den modernen Quantentechnologien. Das thematisch breit aufgestellte, hochkarätige QuSiED-Konsortium wird die dazu essenzielle Kompetenz Europas entscheidend stärken und einzigartiges interdisziplinäres know-how über modernste Grundlagen und Anwendungen im Bereich der Licht-Materie-Wechselwirkung in dissipativen Systemen generieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Österreich, Slowenien, Spanien, Ungarn
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Darrick Chang; Professorin Dr. Zala Lenarcic; Professor Dr. Hanns-Christoph Nägerl; Professor Dr. Gergely Zaránd