Atomare Quantenmaterie

Horizon 2020 ERC Starting Grant: UniRand - Zufällige Unitarien in einem schnellen optischen Gittersimulator

Leiter: Dr. Philipp Preiss

Die Gruppe Atomare Quantenmaterie befasst sich mit der experimentellen Anwendung von Quanteninformationskonzepten auf ultrakalte atomare Systeme. Wir nutzen die Werkzeuge der Quantengasmikroskopie, einschließlich optischer Pinzetten, Gitter und teilchenaufgelöster Bildgebung, um Vielteilchensysteme mit Einzelteilchenkontrolle zu realisieren. Unsere Experimente bilden den experimentellen Prüfstand für neue Ideen, die an der Schnittstelle zwischen der Physik der kondensierten Materie und der Quanteninformationswissenschaft entstehen.

Jüngste Erkenntnisse haben gezeigt, dass die Betrachtung von festkörperähnlichen Systemen durch die Brille der Informationstheorie das Verständnis von Vielteilchen-Quantensystemen schärfen kann: Wir können uns zum Beispiel fragen, ob Quantenphasenübergänge in Systemen aus kondensierter Materie anhand ihres Verschränkungs-Fingerabdrucks verstanden werden können oder ob sich Materiephasen anhand der Art und Weise unterscheiden lassen, wie Informationen bei der Dynamik außerhalb des Gleichgewichts verteilt werden. Solche Fragen stehen im Vordergrund der Quantentheorie, und es werden neue Arten von Experimenten benötigt, um den experimentellen Nachweis zu erbringen. Ultrakalte Atome realisieren synthetische Quantensysteme, die genau an dieser Spitze der Quanteninformationswissenschaft stehen.

Finanziert durch den ERC Starting Grant UniRand - Random Unitaries in a Rapid Optical Lattice Simulator entwickeln wir eine neue Maschine, um ein Quantengas in einem optischen Gitter zusammenzusetzen: Wir werden einzelne Atome auf ihren beweglichen Grundzustand abkühlen und Dutzende oder Hunderte solcher Teilchen zu einem Gittersystem aus beweglichen Fermionen zusammenfügen. Eine solche Plattform verspricht eine bessere Kontrolle über die initialisierten Quantenzustände sowie wesentlich höhere Datenraten als herkömmliche Maschinen.

Unsere Architektur wird den Weg zu neuen Messverfahren ebnen. Ein spannender Weg in die Zukunft sind Messungen in Zufallsbasen: Es hat sich gezeigt, dass die Messung eines Systems in vielen verschiedenen, zufällig gewählten Basen und die Aufzeichnung von Korrelationen zwischen den Ergebnissen ein sehr effektiver Weg sein kann, um Vielteilchenzustände auf eine basisunabhängige Weise zu untersuchen. Wir arbeiten daran, solche zufälligen unitären Protokolle in optischen Gittersystemen zu implementieren.

Weitere Themen von Interesse sind das Hamilton-Lernen und die Geräteüberprüfung eines Quantensimulators.

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