Quantensimulation und Kontrolle von topologisch geordneter Quantenmaterie

• Antragsteller: Dr. Francesco Petiziol
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555842149

Topologisch geordnete Quantenphasen von Materie sind stark korrelierte Phasen von Quanten-Vielteilchensystemen, in denen langreichweitige Verschränkung zu einzigartigen Eigenschaften führt. Beispiele sind topologieabhängige Grundzustandsentartungen und das Auftreten von Quasiteilchenanregungen mit Anyon-Quantenstatistik. Diese faszinierenden Eigenschaften machen die topologische Ordnung interessant sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen, wie dem fehlertoleranten Quantum Computing. Das Ziel, eine kontrollierbare topologische Ordnung zu erreichen, stellt eine Herausforderung dar und hat in letzter Zeit große Anstrengungen ausgelöst in Richtung ihrer synthetischen Realisierung auf mehreren experimentellen Plattformen. In diesem Theorieprojekt wollen wir die Eigenschaften topologisch geordneter Systeme im Nichtgleichgewicht untersuchen, um neue Protokolle für ihre Quantensimulation, Kontrolle und Stabilisierung zu entwickeln und um beispielsweise stabile topologische Quantenspeicher zu entwerfen. Es werden topologisch geordnete Systeme untersucht, die zeitabhängiger Kontrolle unterliegen oder an künstliche Umgebungen gekoppelt sind. Beispielsweise sollen Möglichkeiten untersucht werden, die Quantenlokalisierung von Anyon-Quasiteilchen zu kontrollieren und ihre autonome und dissipative Vernichtung herbeizuführen. Es wird nach neuartigen Effekten gesucht, die sich aus dem Zusammenspiel von periodischem Antrieb, Topologie und Wechselwirkung ergeben. Ein Beispiel ist die mögliche Entstehung nichtabelscher Ordnung in abelschen Dimerflüssigkeiten von blockierten Rydberg-Anregungen, die zeitlichen Modulationen unterliegen. Wir werden neuartige Quantensimulationsschemata für Modell-Hamiltonoperatoren von topologisch geordneten Systemen, wie topologischen Spinflüssigkeiten, entwerfen und ihr Wechselspiel mit anderen Quantenphasen untersuchen. Diese Schemata sollen zu Implementierung von hochmodernen Plattformen führen, z.B. für supraleitende Schaltkreise und ultrakalte Atome. Darüber hinaus werden Protokolle für kohärente Steuerung entwickelt, um topologisch geordnete Zustände effizient herzustellen und zu manipulieren. Unser neuer Ansatz besteht aus dem Zusammenspiel mehrerer bekannter Methoden wie dem Floquet-Engineering, der digitalen Quantensimulation, der Shortcuts-to-Adiabaticity und der optimalen Steuerung. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wollen wir untersuchen, ob das Zusammenspiel von kontrollierter Anyon-Lokalisierung und künstlicher Dissipation genutzt werden kann, um dem thermischen Zusammenbruch selbstkorrigierender Quantenspeicher entgegenzuwirken. Es soll ferner verstanden werden, ob die entwickelten Methode der Anyonvernichtung genutzt werden kann, um die Speicherlebensdauer zu verlängern und somit den Weg zu funktionalen selbstkorrigierenden topologischen Quantenspeichern zu ebnen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen