Untersuchung und Kontrolle von Vielteilchendynamik auf Quantensimulatoren

• Antragstellerin: Dr. Anne Matthies
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549314503

Quantenvielteilchensysteme weisen zahlreiche neuartige Phasen und emergente kollektive Phänomene auf. Diese können Antworten auf tiefgreifende Fragen wie die nach der Natur von Phasenübergängen und dem Ursprung der Quantenkohärenz geben. Darüber hinaus sind Quantenvielteilchensysteme eine natürliche Plattform für die Untersuchung der Quanteninformationsverarbeitung, wie Quantensimulation, Sensorik und Metrologie. Das Verständnis der Dynamik von Verschränkung und Quantenkorrelation in Vielteilchensystemen ist von grundlegender Bedeutung für das Verhalten eines Quantensystems und entscheidend für den Entwicklung neuer Quantenalgorithmen und Architekturen für Quantencomputer. Eine der vielversprechendsten kurzfristigen Anwendungen eines Quantencomputers ist die Simulation von Vielteilchendynamik, die für klassische Computer mit zunehmender Systemgröße und -zeit schnell unzugänglich wird. Der Fokus dieses Theorieprojekts liegt auf der Erforschung der Vielteilchendynamik auf derzeit verfügbaren Quantensimulatoren. Das Projekt konzentriert sich insbesondere auf Rydberg-Tweezer-Arrays und hybride NV-P1-Plattformen. Zuletzt haben Rydberg-Atom-Arrays, die bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden, erhebliche Fortschritte auf dem Weg zu einem programmierbaren Quantencomputer gemacht. Im Gegensatz dazu können Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV) und substituierte Stickstoffdefekte (P1) in Diamant bei Raumtemperatur für die Quantensimulation verwendet werden. Hybride NV-P1-Plattformen bilden durch die geringen Dichte der beiden Defekte innerhalb des Diamantgitters ein verdünntes dipolares Spinsystem. Beide Plattformen finden Anwendung in den Bereichen Quantencomputer, Simulation und Sensorik. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Vielkörperdynamik mit nur wenigen zugänglichen programmierbaren lokalen Freiheitsgraden auf diesen Plattformen zu kontrollieren und zu erforschen. Sowohl das simulierte Kühlen zum Grundzustand als auch die Erzeugung hoch angeregter Zustände mit einer effektiven negativen Temperatur werden erforscht. Auf hybriden NV-P1-Plattformen ist eine effiziente lokale Kühlung von großer Bedeutung, um zum Beispiel die glasartige Physik zu untersuchen, die sich in verdünnten dipolaren Spinsystemen zeigen kann. Darüber hinaus werden wir das Strahlungsprofil untersuchen, das durch die Instabilität von Zuständen mit negativer Temperatur entsteht, und die Möglichkeit, Superradianz in Rydberg-Tweezer-Arrays zu beobachten. Das Erreichen negativer Temperaturen bietet eine Reihe interessanter Anwendungsmöglichkeiten, z. B. die Erforschung neuer Phasen des invertierten Hamiltonians, Energiespeicher und, von Interesse für die Teilchenphysik, negativer Druck in Quantensimulationen. Aufbauend auf der Verbindung zwischen der Vielkörperdynamik und der Quantenthermodynamik, werden wir schließlich untersuchen, wie Zustände negativer Temperatur genutzt werden können, um nützliche quantenthermodynamische Geräte wie z.B. Quantenbatterien zu konstruieren.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Norman Yao, Ph.D.