GRK 1991:  Quantum Mechanical Noise in Complex Systems

• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas ; Condensed Matter Physics
• Term: from 2014 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 239408513

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Das Forschungsprogramm des GRKs 1991 zum quantenmechanischen Rauschen in komplexen Systemen umfasste die vier Bereiche Festkörperphysik, Gravitationsphysik, Quanteninformationstheorie und Quantenoptik, welche grundlegende Fragestellungen zum quantenmechanischen Rauschen vereinen. Dazu zählte als ein zentraler Punkt die Erforschung der fundamentalen Zusammenhänge des quantenmechanischen Rauschens sowohl als limitierender Faktor in Messungen mit höchster Präzision in komplexen Systemen als auch deren einhergehende theoretische Beschreibung in einem anspruchsvollen und international ausgewiesenen Forschungsumfeld, welches von zehn Gruppen an der LUH und assoziierten Gruppen der PTB Braunschweig gebildet wurde. Zusätzlich war das GRK eng in ein hervorragendes wissenschaftlich-strukturelles Umfeld eingebunden, wie etwa das QUEST Exzellenzcluster, die niedersächsische Forschungsline QUANOMET oder das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Das zentrale Forschungsthema der immanenten intrinsischen Dynamik wechselwirkender quantenmechanischer Systeme hat definitiv zur langfristigen Forschungsperspektive dieser und den daraus erwachsenen Institutionen beigetragen. Als ebenfalls zentralen Punkt verfolgte das GRK mit der Vermittlung eines tiefgehenden Verständnisses von quantenmechanischen und stochastischen Prozessen das Ziel, ausgezeichneten Promovierenden in der qualitativ hochwertigen und fächerübergreifenden Forschungsumgebung mit einem überzeugenden Betreuungskonzept eine vielseitige und exzellente Ausbildung zu ermöglichen. Die für das Kolleg konzipierten Lehrangebote reichten von kollegspezifischen weiterführenden Vorlesungen über hochkarätige Gastvorträge bis hin zur Doktorandenrotation, bei der die Kollegiatinnen und Kollegiaten für eine begrenzte Zeit in andere Arbeitsgruppen wechseln. Zusätzlich war das GRK zur Vermittlung von Schlüsselqualifikationen und der Vernetzung mit der Industrie über professionelle Führungskräfteentwicklungsprogramme in die Graduiertenakademie der LUH eingebunden. Ein intensiver wissenschaftlicher und Erfahrungsaustausch der Kollegiatinnen und Kollegiaten wurde ferner durch die Bereitstellung zentraler Räumlichkeiten im Laboratorium für Nano- und Quantenengineering gewährleistet. Die am GRK beteiligten Gruppen haben sich aktiv für die Chancengleichheit für Frauen und Männer eingesetzt, was sich beispielsweise positiv am für den Bereich Physik vergleichsweise hohen prozentualen Anteil von fast 35 Prozent weiblicher Promovierender unter den 23 Promovierenden im GRK zeigt. Einen weiteren signifikanten Beitrag zum hohen wissenschaftlichen Output und Wissenstransfer auch über die beteiligten Gruppen hinaus hatten die regelmäßigen Vernetzungen mit Gastwissenschaftlern, die zahlreichen internen und GRK-übergreifenden Kolloquien, die interdisziplinären Workshops, GRK-Vorlesungen und Seminare sowie Aktivitäten für die interessierte Öffentlichkeit. Diese hocheffektiven Vorrausetzungen spiegeln sich ebenfalls in der starken Veröffentlichungsleistung der am GRK Beteiligten Gruppen wider.

Publications

• "Strongly squeezed states at 532 nm based on frequency up-conversion" Opt. Express 23, 16035 (2015)
  C. Baune, J. Gniesmer, A. Schönbeck, C. E. Vollmer, J. Fiurášek, and R. Schnabel
  
• “Measuring the Luttinger liquid parameter with shot noise” Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 74, 651 (2015)
  J. K. Kühne, I. V. Protopopov, Y. Oreg, A. D. Mirlin
  
• “Uncertainty relations for angular momentum” New Journal of Physics 17, 093046 (2015)
  L. Dammeier, R. Schwonnek, and R. F. Werner
  
• "Entanglement distillation using the exchange interaction" Appl. Phys. B 122, 1–8 (2016)
  A. Auer, R. Schwonnek, C. Schoder, L. Dammeier, R. F. Werner, and G. Burkard
  
• "Unconditional entanglement interface for quantum networks" Phys. Rev. A 93, 10302 (2016)
  C. Baune, J. Gniesmer, S. Kocsis, C. E. Vollmer, P. Zell, J. Fiurášek, and R. Schnabel
  
• “Efficient entanglement distillation without quantum memory” Nature Communications 7, 11720 (2016)
  D. Abdelkhalek, M. Syllwasschy, N. J. Cerf, J. Fiurášek, and R. Schnabel
  
• “Reduction of Classical Measurement Noise via Quantum-Dense Metrology” Phys. Rev. Lett. 117, 180801 (2016)
  M. Ast, S. Steinlechner, and R. Schnabel
  
• “Synchronization of active atomic clocks via quantum and classical channels” Physical Review A 94, 043841 (2016)
  A. Roth and K. Hammerer
  
• “Thermodynamic origin of the slow free exciton photoluminescence rise in GaAs” Phys. Rev. B 93, 081204, Rapid Communication (2016)
  M. Beck, J. Hübner, M. Oestreich, S. Bieker, T. Henn, T. Kiessling, W. Ossau, and L. W. Molenkamp
  
• “Versatile electric fields for the manipulation of ultracold NaK molecules” New J. Phys. 18, 4 (2016)
  M. W. Gempel, T. Hartmann, T. A. Schulze, K. K. Voges, A. Zenesini, and S. Ospelkaus
  
• „Phase context decomposition of diagonal unitaries for higher-dimensional systems” Phys. Rev. A 93, 052333 (2016)
  K. Beer and F. A. Dziemba
  
• "On-line estimation of local oscillator noise and optimisation of servo parameters in atomic clocks" Metrologia 54, 307–321 (2017)
  I. D. Leroux, N. Scharnhorst, S. Hannig, J. Kramer, L. Pelzer, M. Stepanova, and P. O. Schmidt
  
• "State-independent Uncertainty Relations and Entanglement Detection in Noisy Systems" Phys. Rev. Lett. 119, 170404 (2017)
  R. Schwonnek, L. Dammeier, and R. Werner
  
• “Efficient entanglement distillation based on emulation“ Doktorarbeit (2017)
  Daniela Abdelkhalek
  
• “Highly anisotropic electric conductivity in PAN-based carbon nanofibers” Journal of Physics: Condensed Matter 29 (2017)
  J. Aprojanz, B. Dreyer, M. Wehr, J. Wiegand, et al.
  
• “Interfacial Molecular Packing Determines Exciton Dynamics in Molecular Heterostructures: The Case of Pentacene–Perfluoropentacene” ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 42020 (2017)
  A. Rinn, T. Breuer, J. Wiegand, et al.
  
• “Interfacial Molecular Packing Determines Exciton Dynamics in Molecular Heterostructures: The Case of Pentacene–Perfluoropentacene” Appl. Mater. Interfaces 9, 42020-42028 (2017)
  A. Rinn, T. Breuer, M. Beck., et al.
  
• “Quantum-dense metrology for substraction of back-scatter disturbances in gravitationalwave detection” Doktorarbeit (2017)
  Melanie Ast
  
• “Robustness of QMA against witness noise” Quantum Inf. Comput. Vol. 17, pp.1167-1190 (2017)
  F. A. Dziemba
  
• “Unbounded generators of dynamical semigroups” Open Systems & Information Dynamics 24, 1740015 (2017)
  I. Siemon, A.S. Holevo and R.F. Werner
  
• “Uniform Diagonalization Theorem for Complexity Classes of Promise Problems including Randomized and Quantum Classes”
  F. A. Dziemba
  
• "A Zeeman slower for diatomic molecules" New J. Phys. 20, 42001 (2018)
  M. Petzold, P. Kaebert, P. Gersema, M. Siercke, and S. Ospelkaus
  
• "Hole-capture competition between a single quantum dot and an ionized acceptor" Phys. Rev. B 98, 125426 (2018)
  J. Wiegand, D. S. Smirnov, J. Osberghaus, L. Abaspour, J. Hübner, and M. Oestreich
  
• "Spatially Adiabatic Frequency Conversion in Optoelectromechanical Arrays" Phys. Rev. Lett. 121, 110506 (2018)
  O. Černotík,. Mahmoodian, and K. Hammerer
  
• "Spin–photon interface and spin-controlled photon switching in a nanobeam waveguide" Nature Nanotechnology 13, 398 (2018)
  A. Javadi, D. Ding, M. H. Appel, S. Mahmoodian, M. C. Löbl, I. Söllner, R. Schott, C. Papon, T. Pregnolato, S. Stobbe, L. Midolo, T. Schröder, A. D. Wieck, A. Ludwig, R. J. Warburton, and P. Lodahl
  
• "Strongly Correlated Photon Transport in Waveguide Quantum Electrodynamics with Weakly Coupled Emitters" Phys. Rev. Lett. 121, 142 (2018)
  S. Mahmoodian, M. Čepulkovskis,, S. Das, P. Lodahl, K. Hammerer, and A. S. Sørensen
  
• “Additivity of entropic uncertainty relations” Quantum 2, 59 (2018)
  R. Schwonnek
  
• “Collective effects and superradiance in atomic ensembles” Doktorarbeit (2018)
  Alexander Roth
  
• “Feshbach spectroscopy and dual-species Bose-Einstein condensation of 23Na - 39K mixtures” Phys. Rev. A 97, 023623 (2018)
  Schulze, T.A., Hartmann, T., K. K. Voges, Gempel, M.W., Zenesini, A., Tiemann, E., Ospelkaus, S.
  
• “Optical amplification of spin noise spectroscopy via homodyne detection” Phys. Rev. Appl. 9, 034003 (2018)
  P. Sterin, J. Wiegand, J. Hübner, and M. Oestreich
  
• “Type-II Zeeman Slower and design and construction of a cryogenic buffer gas beam source” Doktorarbeit (2018)
  Maurice Petzold
  
• “Uncertainty relations in quantum theory” Doktorarbeit (2018)
  René Schwonnek
  
• „Spin and reoccupation noise beyond the fluctuation-dissipation theorem” Phys. Rev. B 97, 081403, Rapid Communications (2018)
  J. Wiegand, D. S. Smirnov, J. Hübner, M. M. Glazov, and M. Oestreich
  
• "Energy band modulation of GaAs/Al0.26Ga0.74As quantum well in 3D self-assembled nanomembranes" Physics Letters A 383, 2938–2942 (2019)
  F. Zhang, G. Huang, X. Nie, X. Cao, Z. Ma, F. Ding, Z. Di, H. Zhen, and Y. Mei
  
• "Impact of optically induced carriers on the spin relaxation of localized electron spins in isotopically enriched silicon" Phys. Rev. B 99, 245201 (2019)
  M. Beck, N. V. Abrosimov, J. Hübner, and M. Oestreich
  
• "Telecom wavelength single photon sources" J. Semicond. 40, 71901 (2019)
  X. Cao, M. Zopf, and F. Ding
  
• "Towards a transportable aluminium ion quantum logic optical clock" Rev. Sci. Instr. 90, 53204 (2019)
  S. Hannig, L. Pelzer, N. Scharnhorst, J. Kramer, M. Stepanova, Z. T. Xu, N. Spethmann, I. D. Leroux, T. E. Mehlstäubler, and P. O. Schmidt
  
• “Advanced techniques for squeezed-light-enhanced gravitational-wave detection” Doktorarbeit (2019)
  Jan Gniesmer
  
• “Disturbed witnesses in quantum complexity theory” Doktorarbeit (2019)
  Friederike Anna Dziemba
  
• “Entanglement Detection by Violations of Noisy Uncertainty Relations: A Proof of Principle” Phys. Rev. Lett. 122, 220401 (2019)
  Y. Zhao, G. Xiang, X. Hu, B. Liu, C. Li, G. Guo, R. Schwonnek, and R. Wolf
  
• “Nonequilibrium spin noise spectroscopy on single quantum dots” Doktorarbeit (2019)
  Julia Susan Wiegand
  
• “Optical spectroscopy of donor bound excitons and spin relaxation of donor electrons in isotopically enriched silicon” Doktorarbeit (2019)
  Michael Beck
  
• “Subsystems for all-optical coherent quantum-noise cancellation” Doktorarbeit (2019)
  Daniel Steinmeyer
  
• „Rausch- und Transportmessungen an Einzel- und Doppelquantenpunkten“ Doktorarbeit (2019)
  Jan Klaus Kühne
  
• “Doping and temperature dependence of nuclear spin relaxation in n-type GaAs” Physical Review B 102, 235205 (2020)
  L. Abaspour., P. Sterin, E. P. Rugeramigabo, J. Hübner, and M. Oestreich
  
• “Microscopic models for fusion categories” Doktorarbeit (2020)
  Ramona Wolf
  
• "Low Temperature Relaxation of Donor Bound Electron Spins in 28Si:P" Phys. Rev. Lett. 126, 137402 (2021)
  E. Sauter, N. V. Abrosimov, J. Hübner, and M. Oestreich
  
• “Characterizing the Zeeman slowing force for 40Ca19F molecules”
  P. Kaebert, M. Stepanova, T. Poll, M. Petzold, S. Xu, M. Siercke, S.Ospelkaus
  
• “Maximizing the capture velocity of molecular magneto-optical traps with Bayesian optimization”
  S. Xu, P Kaebert, M. Stepanova, T. Poll, M. Siercke, S. Ospelkaus